Безграничная память
Способность быстро забывать ненужную информацию - это естественное свойство памяти нормального человека. Но бывают и редкие исключения. Известный психолог А.Р. Лурия в течение многих десятилетий наблюдал человека по фамилии Шерешевский. Он с первого раза запоминал огромный объем информации и помнил ее десятки лет. Сам он объяснял свой прием запоминания так. Он мысленно представлял себе улицу в своем родном городе и при сообщении ему длинного ряда букв или цифр мысленно "расставлял" их у каждого фонарного столба. Когда ему нужно было вспомнить эти цифры или буквы, он снова представлял себе эту улицу и как бы "считывал" эти цифры и буквы с этой мысленной картины. А.Р. Лурия объяснил этот феномен следующим образом. Маленькие дети мыслят исключительно образами, а затем этот способ запоминания постепенно ослабляется. У Шерешевского же эта детская способность сохранялась всю жизнь. Однако у этой феноменальной памяти были и существенные недостатки. Во-первых, вспоминать запомненную информацию
Шерешевский мог только путем последовательного перебора всего заученного, поэтому он вспоминал ее медленно. Во-вторых, он испытывал большие трудности в забывании ненужной информации. Для того, чтобы забыть какие-либо буквы или цифры, он вынужден был снова представлять себе ту самую улицу и мысленно "зачеркивать" ненужные цифры и буквы. Только таким искусственным приемом он мог от них избавиться.
Генетика, молекулярная биология и генная инженерия
Зачатки генетики существовали еще в доисторические времена, когда люди одомашнивали животных и культивировали растения. Однако основы современных представлений о механизмах наследственности были заложены только в середине XIX века.
Монах Грегор Мендель занимался изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно), ныне на территории Чехии.
В 1865 году он обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Эта работа "Опыты над растительными гибридами" была опубликована в трудах общества в 1866 году. Сформулированные Менделем закономерности наследования признаков позже получили название законов Менделя. При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически. Однако принципиальные результаты его опытов были поняты и оценены наукой лишь в 1900 году, когда голландский ученый Х. де Фриз, немецкий - К. Корренс и австрийский - Э. Чермак вторично открыли законы наследования признаков, установленные Менделем.
После этого работы Менделя вновь привлекли внимание биологов. В 1905-1906 гг. английский натуралист Уильям Бэтсон ввел в употребление название новой научной дисциплины: "генетика", а в 1909 году датский ботаник Вильгельм Йоханнсен - термин "ген".
Рис. 10.1. Грегор Мендель
В 1910-х годах американский биолог Томас Хант Морган (1866-1945), один из основоположников генетики, лауреат Нобелевской премии 1933 года, и его сотрудники обосновали хромосомную теорию наследственности. Эти ученые доказали, что наследственные факторы - гены - размещаются в хромосомах и что они расположены в них линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых клеток они могут разъединяться. Школе Моргана удалось установить порядок расположения генов в хромосомах для некоторых животных и растений - мухи дрозофилы, кур, кукурузы, ряда бактерий. Муха дрозофила стала излюбленным подопытным насекомым для генетиков из-за ее способности быстро давать потомство, что очень удобно для изучения наследственности.
Рис. 10.2. Томас Морган
Первые работы по генетике в России были начаты в начале XX века. После революции и гражданской войны началось стремительное организационное развитие науки. В 1920-1930 годах выдающийся вклад в развитие генетики внесли советские биологи Н.К. Кольцов (1872-1940) и Н.И. Вавилов (1887-1943). Именно Н.К. Кольцов в 1928 году высказал предположение, что хромосомы - это гигантские молекулы, и обосновал необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уровне.
Рис. 10.3. Н.К. Кольцов
Рис. 10.4. Н.И. Вавилов
К концу 1930-х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (в Академии наук СССР и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Х. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934-1937), советские генетики работали за границей. Н.В. Тимофеев-Ресовский - в Германии (с 1925 г.), Ф.Г. Добржанский - в США (с 1927 г.).
В 1930-е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью лжеученого Т.Д. Лысенко и его преспешника И.И. Презента. По инициативе генетиков был проведен ряд дискуссий, направленных на борьбу с подходом Лысенко, но их результаты были довольно неопределенными.
На рубеже 1930-1940-х гг. в ходе сталинского Большого террора многие из видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах (в том числе Н.И. Вавилов). После войны дебаты возобновились с новой силой. Генетики, опираясь на авторитет международного научного сообщества, снова попытались склонить чашу весов в свою сторону, однако с началом Холодной войны ситуация значительно изменилась. В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛ Т.Д.
Лысенко, пользуясь поддержкой И.В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства наукой, "пообещав партии" быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна ("ветвистая пшеница") и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название лысенковщины и продолжался вплоть до снятия Н.С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г.
Рис. 10.5. С.С. Чевериков
Рис. 10.6. Н.В. Тимофеев-Ресовский
И только с середины 1960-х г. в нашей стране началось восстановление генетики, понесшей колоссальный научный и кадровый урон в результате сталинского террора и антинаучной "деятельности" Лысенко.
А в это время в мире генетика развивалась стремительными темпами, и был сделан ряд выдающихся открытий.
Еще в 1930-1940-х гг. над разгадкой генетического кода живой природы задумывались крупнейшие физики-теоретики Эрвин Шредингер, Макс Дельбрюк, генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский. В 1945 году Э. Шредингер опубликовал книгу "ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ с точки зрения физики?" (What is life?). В главе "Подход классического физика к предмету" он писал: "Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?" Книга "Что такое жизньѕ?" сыграла большую роль в проникновении идей физики в биологию. Имя Шредингера, крупного физика, хорошо известно всем физикам и химикам мира. Поэтому его книга во многом способствовала тому, что их внимание было привлечено к проблемам генетики.
Рис. 10.7. Эрвин Шредингер
Одним из крупнейших открытий XX века в биологии явилось установление структуры молекулы ДНК - основного наследственного вещества клетки. Оно было сделано Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом. Рассказывая историю этого открытия, Дж. Уотсон в своей книге "Двойная спираль" писал о Ф.
Крике: "Он бросил физику и занялся биологией после того, как в 1946 г. прочитал книгу известного физика-теоретика Эрвина Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?" В этой книге очень изящно излагается предположение, что гены представляют собой важнейшую составную часть живых клеток, а потому понять, что такое жизнь, можно только зная, как ведут себя гены. В то время, когда Шредингер писал свою книгу (в 1944 г.), господствовало мнение, что гены - это особый тип белковых молекул. Однако почти тогда же бактериолог Освальд Эвери проводил опыты, которые показали, что наследственные признаки одной бактериальной клетки могут быть переданы другой при помощи очищенного препарата ДН К".
Рентгеноструктурный анализ ДНК был осуществлен Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин. Первую рентгенограмму молекулы ДНК Р. Франклин получила в 1951 году.
На основе анализа рентгенограмм ДНК в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную модель структуры ДНК. Они предположили, что ее7 гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными в определенной последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити с помощью водородных связей по правилу комплементарности (аденин в паре с тимином, а гуанин - с цитозином). Модель двойной спирали ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика позволила объяснить, как при делении клетки происходит репликация ДНК - процесс копирования дезоксирибонуклеиновой кислоты. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.
Две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что напоминает расстегивание застежки-молнии. По каждой половине прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Так был доказан матричный принцип воспроизведения наследственного материала, предсказанный великим русским биологом Н.К.
Кольцовым.
Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика.
В 1962 году за открытие структуры ДНК Д. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия.
Розалинда Франклин вследствие постоянного облучения рентгеновскими лучами в 1956 году заболела раком. Узнав о своей смертельной болезни, она мужественно продолжала работать почти до самой смерти. Она умерла 16 апреля 1958 г. в 37-летнем возрасте, за три года до выдвижения на Нобелевскую премию, которую не получила. В соответствии с уставом Нобелевская премия дается только живым в качестве поощрительного гранта, позволяющего лауреату продолжить научную деятельность.
Рис. 10.8. Розалинда Франклин
Рис. 10.9. Морис Уилкинс
Открытие структуры ДНК стало решающим шагом в понимании того, как генетическая информация передается при делении клетки.
В ДНК используются мономеры 4 типов (нуклеотиды) - аденин, гуанин, цитозин, тимин, которые обозначаются буквами А, Г, Т и Ц. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. Поскольку их четыре, то каждая буква содержит два бита информации. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменен похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой У. PНK присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах, связанных с передачей генетической информации от ДНК к белку. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки, и таким образом получаются последовательности генетических букв. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Эта модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Именно ДНК является носителем генетической информации. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Поэтому она и названа двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа нуклеотидов.
Сочетания рядом стоящих в цепи ДНК нуклеотидов составляет генетический код. Нарушения их последовательности в цепи ДНК приводят к мутациям - наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов. Живые организмы построены из белков. Их в живой природе существует несколько миллиардов, но все они построены всего из 20 мономеров - органических аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет все биологические свойства данного белка. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.
Рис. 10.10. Джеймс Уотсон
Рис. 10.11. Френсис Крик
Реализация генетической информации - процесс, происходящий внутри каждой живой клетки, во время которого генетическая информация, записанная в ДНК клеточного ядра, воплощается в биологически активных веществах - белках.
Генетический код - существующий в живой природе способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Генетический код универсален для всего живого на Земле, он один и тот же у всех организмов (с некоторыми небольшими исключениями), от вирусов до млекопитающих и человека.
В 1954 году физик-теоретик Георгий Гамов опубликовал статью, где первым поднял вопрос генетического кода, доказывая, что "при сочетании 4 нуклеотидов тройками получаются 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для "записи наследственной информации", выражая при этом надежду, что "кто-нибудь из более молодых ученых доживет до его расшифровки". В октябре 1968 года Роберту Холли, Хар Коране и Маршаллу Ниренбергу была присуждена Нобелевская премия за расшифровку генетического кода. Но Георгий Антонович Гамов к тому времени уже умер.
Рис. 10.12. Г.А. Гамов
Сочетание нуклеотидов тройками, предсказанная Г.А. Гамовым - это кодон (триплет), единица генетического кода; состоит из 3 последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК.
Последовательность кодона в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном. Передача генетической информации происходит по схеме "ДНК Ґ РНК Ґ белок".
Открытие структуры ДНК положило начало молекулярной генетике и ее важнейшим разделамв - генной инженерии, генетике человека и медицинской генетике. Разрабатываются генетические аспекты проблемы борьбы со злокачественными новообразованиями и преждевременным старением.
Молекулярная генетика - раздел генетики и молекулярной биологии - ставит своей целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путем исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетической информации, а также способа ее хранения.
В начале 70-х годов XX века возникла генная инженерия - методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Она основана на извлечении из клеток какого-либо организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединении их со специальными молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Генная инженерия, наряду с клеточной инженерией, лежит в основе современной биотехнологии. Открывает новые пути решения некоторых проблем генетики, медицины, сельского хозяйства. С помощью генетической инженерии был получен ряд биологически активных соединений - инсулин, интерферон и др.
Геном - это совокупность всех генов организма, его полный хромосомный набор. Термин "геном" был предложен Г. Винклером в 1920 году для описания совокупности генов, заключенных в наборе хромосом организмов одного биологического вида.
В 1988 году один из первооткрывателей структуры ДНК Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон выступил с предложением создать программу "Геном человека" с целью раскрыть полную структуру генома биологического вида Homo Sapiens (Человека разумного).
К тому времени было уже известно, что наследственный аппарат человека - геном (совокупность всех генов и межгенных участков ДНК) - составляет около 3 млрд нуклеотидных пар. Решение такой грандиозной задачи на том уровне развития генетики казалось нереальным.
В том же 1988 году с аналогичной идеей выступил выдающийся российский молекулярный биолог и биохимик, академик А.А. Баев (1904-1994). С 1989 года в США и в России существуют научные программы "Геном человека", а позднее возникла Международная организация по изучению генома человека (HUGO). Сегодня руководителем Российской национальной программы "Геном человека" является член-корр. РАН Л.Л. Киселев.
Первым важным шагом этой международной программы стало секвенирование - определение последовательности нуклеотидов в ДНК.
К началу XXI века эта сложнейшая задача была выполнена. Число генов в геноме человека оказалось около 35000. Но это лишь первый этап программы. Геном человека прочитан полностью, но он подобен тексту телеграммы на неизвестном языке. Ведь каждый ген представляет собой программу создания определенного вида белка, а таких белков - огромное количество. Дальнейший этап - это расшифровка этого "текста". Частично она выполнена, но полная расшифровка может растянуться на многие годы.
Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине - "За открытие механизма РНК-интерференции (подавления экспрессии генов двухцепочечной РНК)" - разделили Эндрю Файр (1959 г. р.) из Медицинской школы Стэнфордского университета и Крэйг Мелло (1960 г. р.) из Медицинской школы Массачусетского университета.
На одной из классических моделей генетического анализа - геноме червя - они изучали способы выключения (так называемой блокировки) отдельных генов. Их целью было понять, за что отвечает каждый ген. В одном из опытов они ввели червям двухцепочечную РНК с таким же кодом, как у блокируемого гена. И ген "выключился". Так почти случайно был открыт феномен РНК-интерференции. По существу, ученые обнаружили фундаментальный механизм контроля над потоком генетической информации.
Это открытие позволило ученым-генетикам понять, зачем нужен и за что отвечает каждый ген. Появилась перспектива лечения врожденных генетических аномалий. Становится реальным заблокировать ген, отвечающий за образование раковых клеток.
Открытие РНК-интерференции дает перспективу "отключать" любые гены, наносящие вред организму.
За последние десятилетия для идентификации личности широко применяется биологический метод анализа ДНК, индивидуального для каждой личности. Он используется для определения факта отцовства, опознания личностей погибших в различных катастрофах и при военных действиях.
Первым человеком, который догадался, каким образом можно идентифицировать личность с использованием методов молекулярной генетики, был английский профессор Алек Джеффрис, опубликовавший в журнале Nature свою статью "Индивидуально-специфичные "отпечатки пальцев" ДНК человека" в июле 1985 года. С помощью этого метода в 1986 году ему удалось доказать невиновность человека, обвиненного в двойном убийстве и даже признавшем свою вину. Настоящий преступник был пойман через год. Так идентификация личности на основании данных ДНК-анализа начала широко применяться в криминалистике. Осуществлялся анализ соответствия биологических образцов, найденных на месте преступления, с образцами, полученными от подозреваемого в совершении преступления, и установление родства по характеристикам ДНК. Несомненным преимуществом метода является то, что даже ничтожно малого количества образца оказывается достаточно для проведения анализа. Кроме того, в качестве исходного материала для выделения ДНК могут быть использованы кр
овь, сперма, слюна, волосы, костные ткани - любые образцы, содержащие хотя бы несколько клеток.
Имеется ряд причин, по которым молекула ДНК так привлекательна для использования в судебной идентификации.
Уникальность индивидуальной ДНК.
Каждый человек в мире генетически индивидуален (кроме однояйцевых близнецов).
Генетическое постоянство организма.
Генетическая информация, в отличие от состава белков или жиров, не изменяется в течение жизни, а также в зависимости от типа клеток, из которых была выделена ДНК.
Чувствительность метода.
Для современных методов ДНК-анализа достаточно даже нескольких капель крови, или образца слюны, которой наклеивалась почтовая марка на конверт, или пятна спермы, по площади в 10 раз меньшего булавочной головки.
Относительная стабильность молекул ДНК.
В отличие от белков, являющихся нестабильными структурами, молекула ДНК обладает повышенной устойчивостью к воздействиям окружающей среды. Это свойство ДНК является для криминалистов ценным, поскольку позволяет проводить идентификацию по прошествии даже очень большого срока давности, или же если останки человека не могут быть опознаны никакими другими методами (например, в случае авиакатастроф).
Информация и жизнь
Биологическая жизнь - одна из форм существования материи. Живые организмы отличаются от неживых объектов целым рядом свойств: обменом веществ, раздражимостью (свойством отвечать на воздействия внешней среды изменениями своего состояния или деятельности), способностью к размножению, росту, развитию, активной регуляциии своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде и т. п. Все эти свойства живых организмов невозможны без получения и использования информации от окружающей природы и обмена информацией между живыми организмами.
Рассмотрим несколько примеров.
Начинается партия игры в бильярд. Один из игроков производит первый удар кием и разбивает пирамиду бильярдных шаров. На столе они занимают какое-то новое положение. Для самих шаров это, образно говоря, "безразлично".
Но зато для игроков новое положение шаров на столе дает "информацию к размышлению" - какие шары выбрать для следующего удара.
И так для каждого из двух игроков после каждого удара.
Такое же утверждение касается и положения фигур на шахматной доске - так называемой шахматной позиции.
В этих ситуациях видна разница между неживой и живой природой. Понятие "информация" присуще только живой природе - простейшим, растениям, животным, и, конечно, человеку и созданным им автоматическим устройствам.
Каким же образом человек получает, анализирует, хранит и использует информацию? Происходит это в несколько этапов. Первый - получение информации - осуществляется с помощью органов чувств: зрения, слуха, обоняния, вкуса, осязания, восприятия гравитации.
В состав органов чувств входят рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Рецепторы делятся на экстерорецепторы, воспринимающие информацию из внешней среды, и интерорецепторы (или приорецепторы), воспринимающие информацию из внутренней среды собственного организма. Органы чувств воспринимают, первично анализируют и преобразуют эти раздражения в нервное возбуждение, после чего передают его в центральную нервную систему.
Дальнейшие процессы обработки, хранения и использования полученной информации происходят в головном мозгу. Этапы этих процессов познания: восприятие, память и мышление. Восприятие - это способность анализировать воспринимаемые органами чувств изменения окружающей среды. Память - способность хранить информацию, полученную в результате восприятия. Мышление - способность систематизировать (понять причинно-следственные механизмы) хранящуюся в памяти информацию. Память и мышление объединяет в себе понятие "интеллект" (от лат. intellectus - познание, понимание, рассудок) - способность мышления, рационального познания. Это латинский перевод древнегреческого понятия "нус" (ум), тождественный ему по смыслу.
Понятие "информация" присуще не только человеку, но и созданным им автоматическим устройствам.
Поясним последнее утверждение. Посмотрим, как работает домашний холодильник. Охлаждение он производит с помощью холодильного агрегата. Когда вы включаете холодильник, начинает работать электродвигатель, приводящий в действие компрессор, и температура в камере холодильника понижается. Когда она достигает нижней заданной величины, например, +40С, реле отключает электродвигатель и температура в камере начинает повышаться. Когда она достигнет верхней заданной величины, например +60С, реле снова включает электродвигатель и температура в камере снова начнет понижаться. Таким образом, в камере будет поддерживаться температура в пределах от +40С до +60С. Температура в камере является информацией для автоматического холодильника, которая служит сигналом для периодического включения и отключения холодильного агрегата.
Искусственный интеллект
Одним из самых загадочных явлений является так называемое распознавание образов человеком. Ведь мы можем почти мгновенно опознать знакомого человека в толпе или его голос по телефону.
В течение всей жизни человек распознает образы: он сравнивает увиденные и услышанные образы с хранящимися в его памяти и опознает знакомые образы. В соответствии с этим он принимает решения о своих действиях. Этот процесс представляет собой одну из самых сложных загадок человеческого мозга. На его решение уже потрачены многие годы и значительные научные силы. Ведь это очень важно для работ по созданию искусственного интеллекта и автономных роботов.
Алан Тьюринг в начале 1950-х годов сформулировал такой тест: компьютер можно считать разумным, если он способен заставить нас при общении с ним поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком.
По мере продвижения работ в области искусственного интеллекта появляются все более новые его определения. Одно из самых полных принадлежит одному из самых крупных ученых в этой области Марвину Мински (США): "Это наука по созданию машин, которые могут делать то, что им позволяет делать уровень человеческого интеллекта".
Рис. 10.16. Марвин Мински
Начало работ по созданию машин, обладающих искусственным интеллектом, стимулировал Норберт Винер своей знаменитой книгой "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине", появившейся в 1948 году. Он выдвинул принцип обратной связи, который заключается в использовании информации, поступающей из окружающей среды, для изменения поведения машины. В своей книге Винер доказывал, что благодаря обратной связи все живое приспосабливается к окружающей среде и добивается своей цели. Эта книга стала результатом его работ в области создания средств вычислительной техники для нужд обороны и его совместных исследований с физиологом Артуро Розенблютом.
На их основании Винер увидел глубокую аналогию между поведением машин и живых организмов в их приспособлении к изменениям в окружающей среде с помощью универсального механизма обратной связи - общего для техники и живой природы. Винер также обратил внимание на важнейшую роль обратной связи для поддержания гомеостаза у живых организмов - механизма поддержания устойчивости основных физиологических функций организма.
Винер также установил следующую аналогию между нервной системой и вычислительной машиной: важнейшей функцией обеих является память, "т.е. способность сохранять результаты прежних действий для использования в будущем". Он отмечает, что существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например умножения. При этом промежуточные результаты не имеют ценности после завершения процесса, и должны уничтожаться. Такая память должна позволять быстрые запись, считывание и стирание. Но существует память, предназначенная служить частью архива (или постоянной записи) машины или мозга и составлять основу будущего поведения машины.
В то же время Винер увидел и различия между поведением машины и мозга. Машина предназначена для выполнения многих последовательных программ и может быть очищена при переходе от одной программы к другой, а мозг в нормальных условиях никогда не очищается от своих прошлых записей. Поэтому мозг не является полным подобием вычислительной машины.
Говоря о памяти, Винер отмечает, что "хороший способ построить кратковременную память - это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи до тех пор, пока эта цепь не будет очищена внешним воздействием". Весьма правдоподобно, что это и происходит в нашем мозге при хранении импульсов, относящихся к так называемому "мнимому настоящему". Этот способ был воспроизведен в вычислительных машинах.
Таким образом, Винер указал способ построения схем оперативной (или, по его терминологии "кратковременной") памяти с помощью обратной связи. Приведу одно важное для понимания информационных процессов высказывание Н. Винера:
"Информация - это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспосабливания к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельности в этой среде <...> сообщение и управление точно так же связаны с самой сущностью человеческого существования, как и с жизнью человека в обществе." Н. Винер "Кибернетика и общество".
Здесь уместно напомнить, какие определения понятия "жизнь" даются в современных энциклопедиях:
"Жизнь - одна из форм существования материи. Живые организмы отличаются от неживых объектов обменом веществ, раздражимостью, способностью к росту, развитию, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, приспособляемостью к среде".
При этом поясняется, что раздражимость - это свойство отвечать на воздействия внешней среды изменением своего состояния или деятельности, то есть своего рода ответная реакция или обратная связь. Как уже упоминалось, существует также важнейшее для существования жизни понятие "гомеостаз" - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических свойств организма. К этим определениям так и напрашивается важнейшее добавление. Кроме обмена веществ, жизнь как понятие характеризует также и обмен информацией, получение живыми организмами информации из внешней среды, как от неживых объектов, так и от других живых организмов, и обмен информацией с ними. Только обмен информацией объясняет такие свойства живых организмов, как раздражимость, приспособляемость к среде обитания.
Ф. Энгельс определял жизнь как особую форму существования белковых тел. Современное определение жизни, дополненное способностью к анализу информации и принятием на его основе самостоятельных решений, скоро можно будет отнести не только к живым организмам, но и к роботам, наделенным искусственным интеллектом. Современные роботы уже могут приспосабливаться к изменениям среды обитания и даже способны производить себе подобных. Пока отделяет их от живых организмов отсутствие обмена веществ со средой обитания. Но об этом речь впереди...
В 1943 году нейрофизиолог Уоррен Маккаллох и математик Уолтер Питтс разработали теорию деятельности головного мозга. Основываясь на результатах изучения нейронов, проведенных Маккаллохом, они с Питтсом предложили гипотезу: нейроны можно упрощенно рассматривать как устройства, работающие в двоичном коде. На основе этой гипотезы они построили схему сети электронных "нейронов", способную выполнять любые числовые и логические операции. Конечной целью своих исследований Маккаллох и Питтс видели в создании "адаптивной сети", "самоорганизующейся системы" или "обучающейся машины". Эти устройства должны уметь следить за окружающей средой и с помощью обратной связи изменять свое поведение.
Норберт Винер (1894-1964) - американский математик, автор книг "Кибернетика", "Кибернетика и общество", "Я - математик". Труды по математическому анализу, теории вероятности, электрическим сетям и вычислительной технике.
Уоррен Маккаллох (1898-1969) - американский нейрофизиолог. Труды по анализу информационных явлений в нервных сетях средствами математической логики. Совместно с У. Питтсом ввел понятие формального нейрона.
Исследования в области искусственного интеллекта идут уже более полувека. За эти годы пройден огромный путь, достигнуты значительные результаты в отдельных областях, например, в области стратегических игр. Как уже говорилось, человек во время всей своей жизни должен принимать решения в соответствии с изменениями в окружающей среде. То же самое требуется и в играх. При этом происходит распознавание образов, характеризующих окружающую среду. Затем происходит их анализ и классификация. Для этого мозг сравнивает их с теми, которые известны человеку из прошлого и хранятся в его долговременной памяти. Но механизм распознавания является одной из самых сложных задач в области искусственного интеллекта. При решении таких задач очень важным является изучение механизма извлечения знаний из долговременной памяти. Уже упоминалось, что у человека этот процесс происходит с помощью ассоциаций. Исследователи искусственного интеллекта пытаются создать нечто похожее на них. При решении задач искусственного интеллекта приходи
тся перебирать огромное число вариантов. При этом возможны три варианта действий: случайный поиск, полный перебор и так называемый эвристический поиск.
Любой вариант перебора заставляет перебирать так называемое "дерево решений". Он называется так потому, что с каждым шагом "ветвится" на все новые и новые варианты.
При случайном переборе никакого метода поиска нет, все делается по принципу "если повезет", но вероятность такого везения ничтожно мала, поэтому эффективность этого пути близка к нулю. Полный перебор по заранее намеченному плану безусловно ведет к цели, но число вариантов может быть так велико, что время поиска может приближаться к бесконечности. Ярким примером такого перебора является игра в шахматы. Число возможных вариантов позиций в ней так велико, что для их полного перебора не хватит не только мощности самых современных суперкомпьютеров, но и целой жизни. Поэтому шахматисты ограничиваются перебором вариантов только на несколько ходов вперед. Чем глубже перебор, тем лучше играет шахматист. Ведь при этом он в своей памяти перебирает не только возможные варианты, но и множество уже встречавшихся вариантов в партиях других шахматистов, известных данному игроку.
Но не только в этом заключается сила игрока. Каждый из них вырабатывает свои приемы, ведущие к правильной оценке каждой позиции и всей партии. Такой творческий подход стараются смоделировать при звристическом поиске.
При таком эвристическом поиске в каждой его точке применяются эвристики - правила, облегчающие результативность каждого варианта с точки зрения скорейшего достижения цели. Слово "эвристика" создано на основе греческого "эврика", означающего "открытие". Этот метод оказался плодотворным и применяется в современных программах для игры в шахматы, все более усиливая класс игры компьютера. Эвристики являются своеобразной заменой ассоциаций для компьютера.
Не так давно средства массовой информации устроили большой шум по поводу выигрыша матча компьютерной шахматной программой фирмы IBM у чемпиона мира Гарри Каспарова. Все газеты поместили его фотографию - склонившегося над доской с трагическим выражением лица. Это событие подавалось чуть ли не как победа робота над человеческим интеллектом. Однако на самом деле это как раз, наоборот, победа интеллекта человека. Ведь это он создал такую замечательную программу, играющую в силу гроссмейстера. Осуществилась мечта Михаила Ботвинника, который одним из первых начал работу по созданию компьютерных шахматных программ.
Между тем совершенствование компьютерных шахматных программ продолжается. Созданы программы Deep, Fritz, Shredder, Hiarcs и, наконец, программа "Рыбка".
Ее создатель, 35-летний чешский международный мастер Васик Райлих подошел к разрабатываемой им программе с совершенно иной позиции, качественно улучшив и принципиально изменив в ней механизм оценки позиции. Перебор позиций заменен более глубоким подходом к шахматным нюансам, особенно интересно революционное отношение программы к такой теме, как позиционная жертва. Кстати, многие эксперты отмечают очень "человеческий" стиль "Рыбки", ее оценочная шкала значительно больше приближена к мышлению шахматиста.
Колоссальное превосходство программы в миттельшпиле (середине щахматной партии) позволило ей в короткие сроки возглавить рейтинг-листы компьютерных программ, перейдя фантастическую отметку 3000, которой не достиг еще ни один из великих гроссмейстеров.
У сильнейших гроссмейстеров появилась боязнь подсказок со стороны шахматных компьютерных программ во время матчей.
Во время матча на первенство мира между российским гроссмейстером Владимиром Крамником и болгарским гроссмейстером Веселином Топаловым в 2006 году возник так называемый "туалетный скандал".
Матч за мировую шахматную корону был под угрозой срыва. Команда Веселина Топалова обвинила Крамника в том, что он слишком часто ходит в туалет: болгары насчитали более 50 таких выходов. Как выяснилось в результате видеопросмотров, россиянин выходил в туалет гораздо реже. Однако это не помешало комитету вынести более чем странное решение: оба личных туалета гроссмейстеров закрыть и разрешить им пользоваться только общей уборной в фойе - то есть за пределами игровой зоны.
Естественно, это решение не устроило Крамника. В результате он не вышел на пятую партию, ему было засчитано техническое поражение, а счет в поединке стал 3:2 в пользу россиянина. После этого Крамник заявил, что откажется от участия в матче.
В результате стороны пришли к соглашению, что у каждого гроссмейстера будет свой туалет и комната отдыха, а представителям команд предоставят возможность тщательно обследовать эти помещения перед каждой партией, чтобы исключить варианты с подсказками.
Почти год назад гроссмейстеры обвинили болгарина Топалова в том, что во время официальных матчей он пользуется подсказками компьютерных программ. Например, в матчах с Вишванатаном Анандом и Гатой Камским почти все ходы новоиспеченного чемпиона совпали с рекомендациями одной из сильнейших компьютерных шахматных программ "Рыбка".
Шахматные компьютерные программы являются важной частью работ по созданию искусственного интеллекта, то есть способности робота воспринимать и оценивать обстановку, а затем принимать самостоятельные решения в изменяющихся условиях. Это нужно, например, роботу-тележке, который сейчас обследует поверхность Марса. При возникновении препятствий он сможет, не запрашивая команды с Земли (а ждать их долго), сам принять решение о дальнейшем движении.
Корпорация Sony создала робота-игрушку по имени AIBO ERS-210 - сокращение слов "artificial intelligence" (искусственный интеллект) и "robot" (по-японски это "товарищ"). Этим первым домашним роботом со способностью распознавания голоса управляет микропроцессор RISC, не уступающий по мощности персональному компьютеру. Оперативная память робота составляет 16 Мбайт. Голова, ноги, уши и хвост у него подвижные. Благодаря своему программному обеспечению - операционной системе Sony Aperios - робот-щенок AIBO обладает эмоциями (он может "радоваться", "сердиться"), инстинктами, способностью обучаться и "взрослеть".
Рис. 10.17. Робот-щенок AIBO корпорации Sony
Благодаря датчику давления на голове он реагирует на дружеское поглаживание или шлепки в наказание за "проступки". Дальномер не позволяет ему натыкаться на стены. Светочувствительные глаза робота AIBO загораются зеленым цветом, если он "радуется", и красным, если он "сердится". Встроенной в "лоб" камерой CCD робот может делать фотоснимки, которые позволяют Вам увидеть то, что "видел" он. При включении AIBO поднимается на ноги, как щенок. Он может выполнять различные трюки, если предоставлен сам себе, или следовать командам с пульта дистанционного управления. AIBO реагирует на розовый цвет и меняет направление движения, если двигать перед ним мячик розового цвета. Робот-щенок поддается программированию с любого персонального компьютера с помощью дополнительного программного обеспечения AIBO Perfomer Kit. Программа загружается через его порт Memory Stick. Если этот развлекательный робот вам надоест, можно нажать на его груди кнопку PAUSE, и он будет спокойно
сидеть. Вес AIBO - 1,4 кг, а работать в автономном режиме он может 1,5 часа.
Вслед за роботом-щенком появилась плавающая в аквариуме электронная "рыба" и целый ряд домашних "зверушек". Роботы уже освоили плавную человеческую походку, могут стоять на одной ноге, способны включать и выключать свет в комнате. Разрабатывается робот-уборщик для обычных квартир. Уже создан прототип автомобиля с искусственным интеллектом. Он способен по указаниям человека самостоятельно двигаться к цели, избавив хозяина от обязанности крутить баранку и нажимать на педали.
На выставке Sony Dream World 2003 в Париже, а в декабре 2003 года и в Москве на празднике Sony был показан робот-андроид - Qrio. Это первый в мире двуногий кибер, который по своим физическим параметрам - 7 килограмм при росте в 58 сантиметров - близок к полугодовалому ребенку. Такой размер Sony признала оптимальным и безопасным для игры с детьми. А именно для этого и предназначен робот Qrio.
Рис. 10.18. Робот Qrio корпорации Sony
На презентации он продемонстрировал свои неординарные физические и интеллектуальные способности. Благодаря 38 встроенным сервомоторам Qrio обладает достаточной свободой движений и хорошей координацией. Например, он может быстро передвигаться, брать предметы, танцевать, подниматься по небольшой лестнице и даже держать равновесие, стоя на одной ноге. На глазах у удивленных посетителей киберы с успехом танцевали под музыку.
Рис. 10.19. Танец группы роботов Qrio (фото автора)
Интеллектуальные возможности Qrio также не могут не удивлять. Робот знает более 60000 слов на разных языках мира, слушается команд и может даже, как уверяют в Sony, сам задавать "умные" вопросы в зависимости от ситуации, обладая зачатками адаптивного поведения. Движения и интеллект робота Qrio контролируют три встроенных компьютера на базе процессора RISC R5000 с 64 мегабайтами оперативной памяти. В качестве операционной системы производитель использовал Aperios, разработанную еще для робота-собачки AIBO. Кроме того, робот снабжен стереообъективами, семью микрофонами и 36 датчиками движения, из которых семь отвечают за безопасность.
Где же сегодня применяются роботы? В основном это так называемые промышленные роботы: автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.
Они используются в машиностроении, на транспорте, в легкой промышленности, на вредных и опасных производствах (например, в атомной энергетике), на автоматизированных складах, в медицине, например, при хирургических операциях на сердце.
Специализированные роботы используются в тех случаях, когда здоровьем и жизнью человека лучше не рисковать - например, при разминировании, ликвидации источников радиационного облучения, спасении подводных аппаратов, в сложных операциях с искусственными спутниками в космическом пространстве.
Делаются попытки применить их в быту. Уже поступили в продажу роботы - домашние пылесосы, которые убирают квартиру без помощи человека. Они способны объезжать препятствия, например мебель, и самостоятельно подсоединяться к розеткам электрической сети для подзарядки аккумуляторов. Созданы роботы-санитары, способные обслуживать тяжелых больных. Роботы уже способны не только ходить и танцевать, но даже играть в футбол. Уже проводятся чемпионаты мира по футболу среди роботов.
Промышленные роботы могут входить в состав роботизированного технологического комплекса - гибкой производственной системы (модуля), в которой автоматически действующие машины (в том числе промышленные роботы), устройства, приспособления реализуют всю технологию производства, за исключением функций управления и контроля, осуществляемых человеком. Роботизированный технологический комплекс включают в состав гибкого автоматизированного производства как законченный технологический модуль.
Применение роботов в промышленном производстве позволяет резко повысить производительность, точность, а главное, качество изделий. Примером может служить использование роботов в процессах сварки и покраски, которое значительно улучшает качество по сравнению с ручным трудом. Наиболее широкое применение нашли роботы в производстве автомобилей, где они используются не только для сварки и покраски, но и для автоматической сборки узлов, агрегатов и даже целых автомобилей. На долю немногочисленного штата наладчиков и контролеров остается только подготовка и последующий контроль производства. Так, известная фирма Fanuc создала производственную линию с автоматической сменой инструментов, на которой роботы обслуживают 12 металлообрабатывающих станков и обрабатывающих центров с цифровым программным управлением. Такая линия может работать непрерывно круглые сутки с остановками только для подачи новых материалов и деталей для последующей обработки. Поскольку в цехе в процессе производства не присутствуют рабочие, прои
зводственное освещение не требуется. За процессом наблюдает лишь небольшой штат контролеров, оснащенных средствами промышленного телевидения и сигнализации.
Автоматизированные линии и целые заводы - уже не редкость. При наличии отработанной технологии и гарантированного качества используемых комплектующих изделий человека вполне может заменить автомат. Постоянно работающие заводы способны производить сборку из готовых деталей не только автомобилей, но и электронных изделий, бытовой техники и вообще любой продукции, состоящей из стандартизованных комплектующих.
Один из пионеров автомобилестроения Генри Форд в начале ХХ века пришел к выводу, что самым слабым звеном в производстве автомобилей является человек. Ему требовалось все больше рабочих, которые работали бы все быстрее, и лучшим средством достижения этого стал введенный в 1913 году впервые в мире метод поточной (конвейерной) технологии сборки автомобилей, что позволило всего за один год поднять производительность труда на 40-60%, а также достигнуть при этом стандартизации и взаимозаменяемости деталей. Причем зарплата персонала вдвое превысила среднюю по промышленности (5 долларов в час против 2,34 долларов в час), рабочий день сократился до 8 часов. Но эти нововведения вызвали и яростное противодействие: посыпались обвинения в бесчеловечности, безжалостной эксплуатации. Вслед за Г. Фордом конвейерный метод сборки был применен и в других отраслях промышленности.
Чарли Чаплин в своем известном кинофильме "Новые времена" рассказал о том, как пагубно влияет монотонный и изнурительный труд на здоровье и психику рабочего - сборщика такого сборочного конвейера. Герой фильма Чарли должен производить в бешеном темпе одну и ту же рабочую операцию - закручивать гайку гаечным ключом. В результате он сходит с ума и ему гайками начинают казаться любые выпуклости - пуговицы на платье и даже носы окружающих людей, которые он начинает закручивать своим гаечным ключом.
Применение промышленных роботов вместо рабочих-сборщиков в автоматизированных сборочных линиях позволило исключить человека из этой производственной цепочки.
Во всем мире в 2004 году установлено более 95000 новых промышленных роботов. Инициаторами развития робототехники являются электротехническая, электронная и автомобильная промышленность. К 2005 году во всем мире установлено 848000 промышленных роботов, из них в Азии - 443 000, в Америке -125 000, в Европе - 279 000. По прогнозам, в 2008 году число роботов в мире превысит 1 миллион!
Со временем все больше привычных профессий человека перейдет к компьютерам и роботам - так надежнее и дешевле. И с этим человечеству придется смириться. Так, практически исчезли профессии чертежниц и копировщиц. Такая же судьба ждет и многие другие профессии (например, в службе сервиса), состоящие в монотонном повторении однообразных операций. И это приведет к уменьшению занятости, усилению безработицы. На долю человека останется только творческий труд. Но ведь далеко не все люди на это способны. Да и численность народонаселения растет в мире бешеными темпами, причем в основном за счет слабо развитых стран Азии и Африки. Так что технические достижения вызовут и новые тяжелые проблемы, которые еще предстоит решать бурно растущему человечеству.
По прогнозам ученых, в этом веке появятся роботы, которые смогут соперничать по своим способностям с человеком. Пока интеллектуальные возможности современных персональных компьютеров - на уровне паука, но через 20 лет они сравняются с млекопитающими, а через 40 лет - с человеком. Они будут способны производить себе подобных и самостоятельно развиваться.
Пессимистически настроенные ученые боятся, что человек потеряет контроль над этими искусственными "существами", т.е. не сможет в случае угрозы отключать их от питания. В результате появится новая "раса" интеллектуальных роботов и завершится биологический этап эволюции.
Так, Кевин Уорвик в своей книге "Наступление машин" предполагает, что через 50 лет человечество окажется в "рабстве" у интеллектуальных роботов. Они будут использовать людей для своих потребностей, подобно тому как сами люди используют животных, например, разводят коров для получения мяса и молока, а потом убивают.
Разработку и производство все более сложных роботов невозможно остановить. Однако ученые-оптимисты надеются на возможность контролировать этот процесс и наделять интеллектуальных роботов понятиями о морали и правилах поведения в человеческом обществе.
А самые смелые футурологи надеются, что с использованием биологических технологий интеллект человека сольется с искусственным и начнет отказываться от своего тела, подверженного болезням и старению. Знаменитый английский физик Стивен Хокинг призывает генетически усовершенствовать человека, иначе в будущем машины превзойдут людей. В 2001 году он заявил, что если люди и в будущем желают оставаться конкурентоспособными в сравнении с созданными ими же машинами, без генной инженерии не обойтись.
"В отличие от нашего интеллекта, производительность компьютеров удваивается каждые 18 месяцев, - сказал Хокинг, сославшись на закон Мура. - Опасность, что у них возникнет интеллект, и они покорят мир, вполне реальна". По мнению ученого, есть только два выхода. Человечеству придется либо подумать об искусственном усовершенствовании своих генов, либо попытаться найти способ объединить компьютеры и человеческий мозг. "Нам придется пойти этим путем, если мы хотим, чтобы биологические организмы по-прежнему превосходили электронные".
Известный футуролог Джеймс Мартин предсказывает появление искусственного интеллекта, который, однако, не окажется копией человеческого. "У нас будут машины, которые в миллиарды раз умнее нас, но только в очень узких и специальных областях", - пишет он. За несколько десятилетий ученые не сильно приблизились к созданию искусственного интеллекта, так как шли по неверному пути. Мартин считает, что нам не нужно пытаться повторить человека, следует пользоваться особенностями, характерными именно для компьютеров. "Между людьми и машинами будет тесное синергетическое партнерство, в котором компьютеры будут делать то, что лучше умеют именно они, а люди - то, что они", - считает он.
В 1920 году чешский писатель Карел Чапек опубликовал пьесу R.U.R. (Rossum's Universal Robots) - одно из самых значительных литературно-философских произведений XX века. Само слово "робот" - искусственный рабочий - подсказал автору его брат, художник Иозеф Чапек. Пьеса была написана задолго до того, как учеными и инженерами были разработаны первые промышленные роботы - это произошло лишь в 60-х годах XX века. Таким образом, Карел Чапек предугадал появление современных роботов.
В прологе пьесы рассказывается о том, чем робот отличается от живого человека:
"... человек - это существо, которое, скажем, ощущает радость, играет на скрипке, любит погулять и вообще испытывает потребность совершать массу вещей, которые... которые, собственно говоря, излишни... если ему надо, допустим, ткать или производить счетные работы. Дизельный мотор не украшают побрякушками... А производство искусственных рабочих - то же самое, что производство дизельмоторов. Оно должно быть максимально простым, а продукт его - практически наилучшим. Как вы думаете, какой рабочий практически лучше? - Какой лучше? Наверное, тот, который... ну, который... Если он честный и преданный... - Нет - тот, который дешевле. Тот, у которого минимум потребностей, Молодой Россум изобрел рабочего с минимальными потребностями. Ему надо было упростить его. Он выкинул все, что не служит непосредственно целям работы. Тем самым он выкинул человека и создал робота. Роботы - не люди. ...Механически они совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души... Продукт инженерной мысли технически гораздо совершеннее продукта природы!"
Далее по ходу пьесы роботы объединяются, свергают власть создавших их людей и убивают их всех, кроме одного. И этот один оставшийся в живых человек наблюдает у роботов проявление любви к жизни, любви робота-юноши и робота-девушки. В финале пьесы он восклицает:
"... Россум, Фабри, Галль, великие изобретатели - что изобрели вы более великого, чем эта девушка, этот юноша, эта первая пара, открывшая любовь, плач, улыбку любви - любви между мужчиной и женщиной? О, природа, природа, жизнь не погибнет! Она возродится вновь от любви, возродится..."
Не правда ли, мысли современных ученых-оптимистов так созвучны мыслям гениального Карела Чапека, высказавшего их 80 лет назад, задолго до появления первых роботов?
Рис. 10.20. Карел Чапек и Айзек Азимов (справа)
Другой замечательный писатель - Айзек Азимов - в своем сборнике научно-фантастических рассказов "Я - робот" сформулировал три закона, действию которых должны подчиняться роботы, чтобы они не могли нанести вред человеку.
"Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.
Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому Закону.
Робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит Первому и Второму Законам".
Спустя полвека после начала исследований в области искусственного интеллекта успехи микроэлектроники позволили построить компактные искусственные нейронные сети (ИНС) в виде миниатюрных "чипов". Такая сеть составлена из функциональных аналогов нейронов человеческого мозга. Именно о них мечтали Маккалолох и Питтс. Решающее отличие нейрокомпьютерной системы от обычного компьютера - в ее способности к самоорганизации и самообучаемости. Эта способность позволяет ИНС гораздо эффективнее, чем обычные компьютеры, решать сложные интеллектуальные задачи.
В нейрокомпьютерах информация кодируется и запоминается не в отдельных ячейках памяти, а, подобно мозгу, в связях между нейронами. При этом в соответствии с распределением и силой этих связей состояние каждого нейрона зависит от состояния многих других нейронов, связанных с ним. Это обеспечивает высокую надежность работы такой системы, так как потеря отдельных связей для нее несущественна.
Нейроподобная сеть представляет собой параллельную сеть простых адаптивных (приспособляемых) элементов. Она взаимодействует с объектами реального мира подобно биологической нервной системе.
Наряду с нейрокомпьютерными чипами начинают применяться построенные в виде чипов системы так называемой "нечеткой логики". Ведь в алгебре логики бывает только два состояния - истинное и ложное (1 и 0). То есть при постановке задач всегда приходится вводить четкие условия. Однако в жизни так бывает далеко не всегда. Часто условия задачи невозможно сформулировать достаточно четко, при этом остается некоторая неопределенность. Это ограничивает области применения ставшей уже традиционной булевой алгебры, в соответствии с которой построены компьютеры (помните архитектуру компьютера Джона фон Неймана?). Для решения широкого круга задач с нечеткой постановкой задач (например в стратегических играх с неполным знанием сил противника) и разработан математический аппарат нечеткой логики. Построенные на его основе чипы нечеткой логики гораздо успешнее справляются с решением интеллектуальных задач с нечеткими начальными условиями.
Рис. 10.21. Лофти Заде
Профессор университета в г. Беркли (США) Лофти Заде (эмигрант из Азербайджана) создал новое направление в математике, в основе которого лежит понятие нечеткого множества. Если для утверждения "число 3 - нечетное число" есть только один ответ - "истинно", а для утверждения "Владивосток - город в Европе" - только один ответ - "ложно", то для понятий "много" или "мало", "большой" или "маленький" такого четкого ответа дать нельзя. Возникают промежуточные варианты ответов: "очень много", "много", "немного", "мало", "очень мало", или: "огромный", "большой" "небольшой", "маленький", "крохотный" и т.д. Л. Заде своей нечеткой математикой приблизился к реальным схемам рассуждений, которыми пользуются на практике. Нечеткая логика по отношению к булевой алгебре, подобно теории относительности А. Эйнштейна по отношению к классической механи ке И. Ньютона, является ее обобщением. Нечеткая логика играет большую роль в теории принятия решений и искусственном интеллекте. В ней в качестве основных элементов вместо чисел 0 и 1 используются лингвистические переменные типа слов: "большой" "маленький", "сильный", "слабый" и т.д.
Существуют и генетические "нейропакеты", в которых реализованы генетические принципы обучения. В мире уже начался нейрокомпьютерный бум. В 1998 году объем продаж таких пакетов превысил 2 млрд долларов. Искусственными нейросистемами в мире занимается около 300 компаний, в основном в области разработки программного обеспечения. Соотношение объемов продаж программного обеспечения и аппаратуры составляет 3:1. Аппаратурное оснащение производят около 20 компаний, а собственно микрочипы разрабатывают единицы. Более 50% рынка - это военные заказы на системы распознавания, автоматического картографирования, прицеливания и наведения. Однако широко развиваются и гражданские приложения, прежде всего там, где требуется обработка больших массивов информации в режиме реального времени. ИНС уже используются в финансово-аналитических, в частности, биржевых системах. Появились они уже и на компьютерном рынке России.
Пока нейрокомпьютерные системы стоят достаточно дорого - от нескольких десятков тысяч до миллионов долларов. Пока они не стали массовым товаром. Однако предвидится в недалеком будущем и массовый спрос на них.
Прежде всего - для совершенствования системы Internet. На проект "Новое поколение Internet" (NGI) на период до 2002 года из федерального бюджета выделено 100 млн долларов. Главные цели этого проекта прямо соответствуют предсказаниям Билла Гейтса, высказанным им в книге "Дорога в будущее". Это создание высокоскоростной магистрали, развитие технологий сетевого сервиса и пользовательских приложений нового поколения. Все они связаны с передачей и обработкой огромных массивов информации. Поэтому при их решении невозможно будет обойтись без нейрокомпьютерных систем.
Уже сегодня в развитых зарубежных странах нейрокомпьютеры и нейроплаты применяются в военном деле, медицине, финансовой и налоговой системах. В таможнях их используют для обнаружения пластиковых бомб и наркотиков, в мире финансов - для предсказания курсов валют, в военной авиации - для распознавания наземных целей, в банковском деле - для оценки кредитных рисков.
Одним из самых плодотворных направлений исследований в области искусственного интеллекта является оптическое распознавание символов, то есть, например, задача научить компьютер читать.
Современные системы оптического распознавания печатных текстов уже способны ввести более ста тысяч документов в сутки. Последним достижением становится распознавание рукописных текстов. Во всех системах машинного распознавания образов используются принципы распознавания, используемые животными и человеком.
Системы оптического распознавания символов служат для перевода графического изображения в текст. Для этого сначала в сканер вводится изображение - своеобразная фотография документа. В результате получается набор черных и белых (или разноцветных) точек. При этом сканеру "все равно", с каким документом он работает - с рисунком, фотографией или текстом. Для целей копирования или посылки факса этого достаточно. Но для перевода отсканированного изображения текстового документа в символьный текст необходима система распознавания, например FineReader. Она переводит этот набор точек в текстовый формат, пригодный для посимвольного редактирования. Ведь каждому символу соответствует свой байт. Работа системы распознавания FineReader состоит из двух этапов. Первый - это анализ графического изображения, полученного сканером. В него входит определение областей распознавания, таблиц, выделение в тексте строк и символов. Второй этап - распознавание каждого символа в отдельности.
Сканирование одной страницы продолжается от 15 до 40 секунд, а распознавание - около 30 секунд, то есть страницу текста можно ввести в компьютер за одну минуту. Система OCR может работать и так: сначала сканируются все листы, а затем проводится распознавание всего текста сразу. Существующие системы распознавания печатных текстов обеспечивают точность распознавания более 99,9%.
В карманных компьютерах и электронных записных книжках широко применяется распознавание раздельных рукописных букв, написанных специальным пером на их экране (touch-screen), Эти распознающие системы обеспечивают достаточно высокую точность, приближающуюся к точности ввода с клавиатуры. Гораздо сложнее задача распознавания написанных от руки слитных букв, слов и целых рукописных текстов. Она еще не решена полностью, потому что при этом компьютер должен еще понимать и смысл текста.
К задачам искусственного интеллекта можно отнести и системы анализа и синтеза речи и музыки.
В целом решение всех этих задач дает возможность пользователю удобнее "общаться" с компьютером - то есть задавать ему вопросы, давать ему задания и получать ответы в форме изображений (письма и картин, таблиц и графиков) и звуков - речи и музыки. Это называется создать "дружественный интерфейс".
Недавно в Великобритании была проведена уникальная хирургическая операция на коленном суставе. Ее провел... миниатюрный робот, руководимый голосовыми командами хирурга, наблюдавшего операцию на телевизионном мониторе. Предполагается проводить подобные операции и на сердце.
Институт звукового перевода г. Киото (Япония) объявил о создании программ, способных распознавать английскую и японскую устную речь. Эти же программы обеспечивают ее автоматический перевод в темпе обычной беседы. Для обслуживания этих программ требуются компьютеры огромной мощности и быстродействия, которые уже есть в развитых странах. Если подключить к такому компьютеру мобильный телефон, то говорящий по-японски человек сможет вести диалог с партнером, говорящим по-английски. Такой диалог возможен и за столом переговоров, и на расстоянии.
Разработчики программ утверждают, что они работают на уровне переводчика, сдавшего единый "Тест на знание английского языка для международного общения" (TOEIC). В дальнейшем разработки Института звукового перевода можно будет использовать и для других языков.
Японская компания NEC разработала устройство e-Navi, представляющее собой персональный переводчик. Он позволяет двум людям вести беседу на разных языках. Устройство имеет словарный запас в 50.000 японских и 25.000 английских слов. Оно способно распознавать голос и синтезировать речь. При этом точность перевода близка к 100% и не требуется предварительная запись голоса пользователей. Устройство e-Navi будет опробовано в токийском международном аэропорту "Нарита". В нем скоро появится специальная служба аренды устройств e-Navi. Этот аэропорт должен стать самым высокотехнологичным аэропортом в мире.
Таким образом, удалось решить одну из сложнейших задач искусственного интеллекта - распознавание устной слитной речи, - задачу, значительно более сложную, чем распознавание отдельно произносимых слов с паузами между ними. Причем это, вместе с переводом, сделано в реальном масштабе времени: не нужны паузы для перевода, так знакомые в международных переговорах.
Достижение японских языковедов и программистов - шаг вперед в преодолении языкового барьера между народами.
<
Клонирование
Также, как и половые, телесные - соматические клетки снабжены природой полной генетической информацией о развитии организма. Только каждая из этих клеток снабжена еще и информацией о своей будущей специализации: из одних соматических клеток строится печень, из других - кости, из третьих - нервная система и т.д. Если получить потомство от соматической клетки, то полученный организм будет полной генетической копией своего родителя. Такой процесс называется клонированием. Однако, можно клонировать все свойства, кроме интеллекта, ума, неповторимых черт личности данного человека.
Для осуществления процесса клонирования из яйцеклетки удаляют ядро, содержащее половинный (гаплоидный) набор хромосом, и вместо него помещают ядро соматической клетки с двойным набором хромосом (рис. 10.13)
Рис. 10.13. Схема рождения человека обычным путем (вверху) и путем клонирования (внизу)
За последние годы, благодаря успехам бурно развивающейся генной инженерии удалось осуществить и этот, недавно казавшийся фантастическим, процесс.
В 1997 году в печати появились сообщения о том, что осуществлено клонирование животных - овец и коров, т.е. получены их генетические копии из соматических клеток. Это открытие вызвало большой шум в научном мире и в средствах массовой информации. Немедленно начали обсуждать возможность клонирования человека. Одни ученые мужи предложили строго запретить подобные опыты, дабы не вывести какого-нибудь тирана типа Гитлера. Другие ученые отнеслись к возможности проведения таких опытов более спокойно и взвешенно. Они резонно замечают, что еще совсем недавно раздавались подобные вопли - запретить выведение детей из "пробирки", а теперь это стало повседневной практикой и никого уже не удивляет.
Конечно, клонирование человека вызывает целый ворох этических, социальных и даже философских проблем. Ведь это не шутка - речь идет о биологическом бессмертии данного человека. Кроме того, при клонировании имеется большая опасность появления уродов.
Пока на один удачный опыт приходится около 300 неудачных. Если при клонировании животных с этим можно мириться, то при клонировании человека это неприемлемо. Тем более что для получения клонированного человеческого существа необходимо брать обычные яйцеклетки у живых женщин и затем пересаживать их суррогатным матерям, которые будут их вынашивать и рожать клонированного человека. И поэтому прежде, чем запрещать или разрешать подобные исследования, нужно спокойно разобраться в этих проблемах. Тем более что все эти запреты никогда ни к чему не приводили, что иллюстрируется хотя бы учениями и судьбами Галилея и Коперника, а в наше время борьбой в нашей многострадальной стране - с генетикой и кибернетикой. Всегда найдется любознательный ученый, который добьется ну жного результата несмотря ни на какие запреты и даже преследования. И похоже, что такие ученые уже нашлись. Недавно появилось сообщение об успешных опытах по клонированию животных и готовности приступить к опытам по клонированию человека. При этом следует отметить, что хотя способности и характер человека в основном определяются его индивидуальным генетическим кодом, все же многое в его поведении и судьбе зависит от среды, в которой он растет, воспитывается и живет. А ее воссоздать невозможно. Так что, по моему мнению, полностью повторить Эйнштейна или Чехова невозможно даже теоретически, но создать людей с их способностями представляется возможным.
Клонированные люди, по крайней мере, внешне, ничем не будут отличаться от обычных людей. Их, как и обычных детей будут вынашивать и через 9 месяцев рожать женщины. Воспитывать их будут в обычных семьях. Однако клон будет не точной копией своего "оригинала", а более молодым человеком с идентичным набором ДНК.
Таким образом, клонирование в будущем позволит, хотя бы частично, решить проблему личного бессмертия. Частично, потому что клонировать интеллект человека нельзя. "Перезапись" интеллекта в новое тело - задача будущего.
В большинстве развитых стран клонирование человека или запрещено, или на него введен временный мораторий.
В России в 2001 году такой мораторий введен на 5 лет.
Ученым Гарвардского университета удалось вырастить в лабораторных условиях отдельные органы (!) крыс, кроликов и ягнят из клеток подопытных животных. Мало того, эти органы были успешно пересажены животным. Ученые надеются в будущем еще до рождения будущего ребенка определять дефекты его внутренних органов и заменять их здоровыми!
В 1997 году шотландские ученые, которые вывели клонированную овцу Долли, идентичную своей матери, добились нового успеха. Они клонировали несколько ягнят, которые несут в себе ген человека, пригодный для лечения гемофилии. Да, да - той самой болезни пониженной свертываемости крови, которой страдал несчастный цесаревич Алексей - наследник рода Романовых. Благодаря этому гену человека молоко таких овец будет содержать вещество, способствующее сворачиваемости крови. Оно жизненно важно для лечения гемофилии. Этот успех ученых - шаг на пути к новому типу животноводства, предназначенного для производства лекарственных средств с помощью методов генной инженерии. Животных будут использовать для производства лекарств, которые трудно или дорого синтезировать в лабораторных условиях.
Японские ученые из института трансплантации эмбрионов путем клонирования получили двух телят. При этом в качестве материала клетки они использовали молозиво - первое молоко, которое вырабатывается в молочных железах после родов. В нем содержится множество лимфоцитов крови и клеток молочной железы. Из этих клеток получили эмбрионы. Затем они были пересажены в матку другой коровы, которая через положенный срок родила двух телят. Раньше для клонирования рогатого скота брали кусочки ткани из уха коровы.
Одной из важнейших задач клонирования является выращивание мяса, а не скота. Ведь тогда человечество перестанет убивать животных для своего пропитания.
В 2001 году израильские генетики получили из эмбриональной ткани клетки сердечной мышцы человека. Полученные клетки идентичны тканям сердца молодого человека и могут самопроизвольно сокращаться.Цель этой работы заключается в том. чтобы пересаживать людям эти клетки и постоянно способствовать "омоложению" стареющей сердечной мышцы.
В конце 2001 года американская компания "Продвинутые клеточные технологии" (Advansed Cell Technology) объявила о первом успешном клонировании эмбриона человека, жизнь которого сохранялась в течение шести дней. Целью опытов является получение так называемых стволовых клеток, которые могут развиваться в различные клетки, например, в эритроциты и лейкоциты крови, клетки печени и другие. Стволовые клетки находятся в центре внимания современной медицины. Их намереваются использовать для лечения диабета, рака, болезни Паркинсона, рассеянного склероза, инфаркта, повреждений спинного мозга (спинальной травмы), многих других тяжелых заболеваний и даже для того, чтобы отдалить старение.
После всех этих сообщений истерические вопли о полном запрете любых форм клонирования человека кажутся непродуманными и поспешными.
Механизм запоминания, ассоциации
Каков механизм запоминания? Прежде всего, предметы, факты, события и явления запоминаются не изолированно. Ведь в жизни они связаны между собой. Поэтому следы их воздействия соединяются в мозге связями, называемыми ассоциациями. Они существенно облегчают процесс извлечения нужных знаний из долговременной памяти. В памяти компьютера производится адресная закладка информации, позволяющая затем извлечь ее по этим адресам. А если адрес неизвестен, то для извлечения нужной информации приходится производить ее полный последовательный перебор, до тех пор, пока не находится нужная. Так, если книги в Вашей библиотеке стоят беспорядочно, то для поиска нужной книги приходится перерыть всю библиотеку. Но за счет высокого быстродействия компьютера этот последовательный перебор происходит довольно быстро. Извлечение же нужной информации у человека происходят по ассоциациям. Это обеспечивает достаточно высокую скорость поиска, несмотря на то, что сигналы по нервным цепям передаются значительно медленнее, чем в комп ьютере. Ассоциации вызывают у человека целую цепочку воспоминаний.
Между прочим, анекдоты вспоминаются тоже по ассоциациям, их обычно рассказывают к подходящему случаю. Тогда они производят особенно хорошее впечатление. Просто запомнить их почти невозможно, да и рассказывать без связи с общей беседой неинтересно.
Предметы и понятия хранятся в нашей памяти в виде образов. Эти образы имеют расплывчатый, обобщенный характер. Например, образ стола, стула или шкафа не имеет каких-то конкретных деталей, а носит схематический, условный характер, однако обладающий всеми основными признаками этого предмета. То же касается и природных явлений, например, дождя, снега, шторма на море. В памяти человека хранится огромное количество таких образов и понятий.
Какое же количество информации может запомнить человек за всю свою жизнь? Он способен обработать около 20 бит в секунду, то есть оценить около миллиона различных возможностей в секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 миллиардов битов.
Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части всех нервных клеток мозга. Человек способен вспоминать нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 миллиардов битов в секунду. Обработка такого гигантского количества информации обеспечивается за счет параллельной работы нервных структур - в отличие от компьютера, где все операции происходят только последовательно.
Относительно механизма долговременного хранения информации существует несколько гипотез, в том числе химические, создания устойчивых замкнутых цепей возбуждения в нейронной сети (нейронных колец).
Существует известная догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение жизни человека в мозговой ткани происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти. Это дает надежду врачам на возможность лечения болезни Альцгеймера - старческого слабоумия, которое грозит каждому из нас в возрасте 85 лет.
А как забыть ставшую ненужной информацию, например, устаревший номер телефона? Для этого существует так называемое внутреннее торможение.
Нейрофизиологам важно знать, сосредоточена ли память в отдельных его областях или рассеяна по всему мозгу. По данным одних исследований считалось, что память сосредоточена в определенных местах мозга. Однако известны случаи, когда при разрушении значительных участков мозга не происходит "стирание" памяти. Это наталкивает на мысль, что память рассеяна по всему мозгу, и вызывает некоторую аналогию (разумеется, не прямую, а только функциональную) со свойством голограммы содержать информацию обо всем предмете в каждом ее участке.
Еще одна аналогия между свойствами мозга и голограммы состоит в следующем. При запоминании какого-нибудь предмета или картины за короткое время фиксируется лишь общий образ. Только после длительного рассматривания удается потом вспомнить отдельные детали. Правда, встречаются некоторые люди, особенно среди художников, с так называемой "фотографической" памятью.
Им достаточно один раз рассмотреть предмет или человека, которого они хотят запечатлеть на полотне, чтобы потом писать картину или портрет по памяти. Но это исключение из правила.
Недавно японские нейрофизиологи получили новые данные о работе механизма памяти. В частности, они выяснили, что процесс воспроизведения информации в несколько раз медленнее ее запоминания.
По данным этих ученых, весь механизм запоминания локализован в височных долях серого вещества. Сначала увиденная информация по зрительному нерву передается на внешнюю оболочку коры мозга, а затем - в ее внутреннюю область, которая является "архивом памяти". На этот процесс затрачивается 0,1 секунды. За этот промежуток времени во внутренней области коры мозга происходят электрохимические реакции, кодирующие полученную информацию. Они переводят ее в символы, по которым нейроны потом могут отыскать нужные картинки - образы. А когда человек что-то вспоминает, то происходит обратный процесс - из "архива" нейроны передают необходимую информацию на поверхность серого вещества. Длительность этого процесса составляет около 0,4 секунды. Эта разница во времени, по-видимому, уходит на поиск нужной информации.
На основании проведенных исследований японские нейрофизиологи, вслед за академиком Натальей Бехтеревой, пришли к выводу, что человек вообще ничего не забывает, а просто не все может вспомнить. Причиной этого могут быть, например, нарушения связей между внешней и внутренней стороной коры головного мозга. Разгадка этих нарушений позволит бороться с некоторыми болезнями мозга, и, в частности, со склерозом.
Таким образом, вопрос о том, локализован ли механизм памяти в определенной области мозга или рассеян по всему мозгу, нельзя считать выясненным окончательно.
Наследственность и индивидуальная память
Человека всегда интересовало, почему он похож на своих родителей и других родственников - братьев, сестер, дедушек, бабушек, причем не только внешне, но и своим характером, привычками. Все это носит название "наследственность". С древних времен люди хотели понять, как наследственная информация передается из поколения в поколение. Хотелось узнать и причины родовой устойчивости животных: почему у слонов родятся слонята, у тигров - тигрята, у лошадей - жеребята. Эти тайны природы были раскрыты только в середине XX века.
Информация проявляется и в растительном, и в животном мире в виде передачи потомству наследственных признаков в ряду поколений. Наследственность обеспечивается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки. Она вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Однако генетический аппарат нужен не только для воспроизведения поколений, но и на протяжении всей жизни каждого индивидуального организма. Ведь его клеточный состав непрерывно меняется, но генетический аппарат следит за тем, чтобы при этом организм оставался самим собой.
Кроме наследственных признаков, каждому отдельному человеку свойственна индивидуальная память, необходимая в процессе его существования.
Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений: зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.
Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни, в том числе посредством обучения и воспитания.
Нервная система и память
А теперь перейдем к рассказу о памяти, необходимой каждому отдельному человеку, да и животным в процессе их существования.
Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений - зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.
Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Он состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни посредством обучения и воспитания.
Источником возбуждения является окружающий нас мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе. Она состоит из особых клеток - нейронов. Каждый нейрон имеет тело и несколько отростков - коротких (дендритов) и одного длинного (аксона) (рис. 10.14). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов - пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения-сигналы представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и нейронам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.
Рис. 10.14. Схема нейрона
Какова же скорость передачи импульсов? Она различна для разных нервов: в двигательных у человека - она составляет 60-120 метров в секунду, а болевое ощущение проводится со скоростью всего 1-30 м/с. В седалищном нерве лягушки эта скорость составляет 27 м/с. Максимальная скорость передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эти скорости с передачей сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 тыс.
км/с), то она кажется ничтожно малой.
Область контакта между аксоном и нейроном ( размером всего около 200 ангстрем), которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно: от нескольких до нескольких тысяч. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса - его пороговый характер. Он не реагирует на одиночные возбуждения, а передает их дальше по цепи нейронов только после их накопления выше определенного порога, причем только после некоторого промежутка времени - синаптической задержки импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка - биохимическую природу. В нервной системе происходят два активных противоположных процесса - возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует. Между возбуждением и тор можением происходит борьба, исход которой определяет судьбу каждого сообщения - будет оно передано дальше или нет.
Общее число нейронов в мозгу человека составляет гигантскую цифру - десятки миллиардов, а связей между ними - синапсов - еще на два порядка больше. Все вместе они и составляют нейронную сеть.
Нейроны получают раздражения от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения - зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения они преобразуют в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.
Контроль же за собственным телом осуществляют проприорецепторы. Они находятся во всех связках и суставах, мышцах и сухожилиях. Благодаря сигналам от них, передаваемых центральной нервной системе, мы можем в любой момент ощущать свое тело и контролировать действие своих двигательных органов.
Мозг, получая информацию от рецепторов, посылает через нервную систему команды мышцам. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямые связи.
А мышцы с помощью рецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.
Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, это - рефлекс. Вся деятельность организма является комбинацией различных рефлексов. Они делятся на безусловные (врожденные, заложенные генетически) и условные (вырабатываемые в течение жизни). Пример безусловного рефлекса - это реакция на боль, например, от прикосновения к горячему. При этом организм принимает решение автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Сигнал от рецептора поступает, минуя головной мозг, непосредственно в спинной мозг, который немедленно посылает команду мышцам руки или ноги - отдернуть руку или ногу от горячего предмета. Так как сигнал от рецептора к мышцам проходит по короткой цепи, то и выполнение команды происходит с максимально возможной скоростью. Спинной мозг управляет и такими сложными безусловными рефлексами, как дыхание, биение сердца, координация движений при ходьбе, деятельность органов пищеварения. Обо всех этих процессах мы не думаем, в теч ение жизни они совершаются автоматически, помимо нашего сознания. Так, например, меняется пульс при изменении нагрузки - при ходьбе, беге, поднятии тяжестей. Все эти безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.
У животных и человека существует еще инстинкты (от лат. instinctus - побуждение) - сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.
В течение жизни мы приобретаем и множество условных рефлексов - еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время.
Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.
Реакция на боль - безусловный рефлекс, возникшая у ребенка при первом соприкосновении, например, к раскаленной печке, превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не соприкоснется. Таким образом, условный рефлекс - это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.
Научившись ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах, человек сохраняет это умение всю свою жизнь.
А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Этим занимается наука биомеханика или физиология активности.
Создателем этой науки является российский ученый, нейро- и психофизиолог Николай Александрович Бернштейн (1896-1966 г.г.).
Подлинное изучение мозга началось с выхода книги И.М. Сеченова "Рефлексы головного мозга". А затем И.П. Павлов ввел понятие условного рефлекса. Н.А. Бернштейн разработал теорию активности мозга. Подобно тому, как физика А. Эйнштейна вместила в себя как частный случай физику И. Ньютона, так теория активности Н.А. Бернштейна включает в себя в качестве составной части учение об условных рефлексах И.П. Павлова, хотя и во многом спорит с ним.
Рис. 10.15. Н.А. Бернштейн
Биомеханика (от био... и механика), изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют "наукой о рычагах человеческого тела". Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем "концерте" управления множеством мышц при выполнении самых различных действий, например, игры на рояле, участвуют все уровни головного мозга.
Биомеханика имеет важное значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботы, копирующие движения человека и животных.
Н.А. Бернштейн первым в мировой науке понял, что изучение движений является своеобразным ключом, способом познания закономерностей работы мозга.
До Бернштейна изучали движения человека только с целью их описать, а Николай Александрович изучал движения, чтобы понять, как работает мозг при управлении ими. При этом им были открыты такие фундаментальные явления в управлении, как сенсорные коррекции, более известные теперь в кибернетике как "обратные связи" (они описаны Бернштейном еще в 1928 г., то есть почти за 20 лет до того, как это сделал создатель кибернетики Норберт Винер), принцип иерархического, уровневого управления и многое другое.
Н.А. Бернштейн считал себя учеником И.М. Сеченова, который еще в 19-м веке предположил, что все управление движениями человека сводится к непрерывной коррекции хода перемещения звена (например, руки или ноги), осуществляемой центральной нервной системой на основании данных от органов чувств (например, от органов зрения, слуха или осязания).
Николай Александрович первым понял, что нервная система, "подав команду" на начало какого-нибудь движения, никогда не оставляет его без контроля и, в случае необходимости, немедленно корректирует его. Это явление он и назвал "сенсорной коррекцией".
Н.А. Бернштейн критиковал созданную И.П. Павловым теорию рефлекса по схеме нервной дуги, идущей от органов чувств к мозгу, а от него к мышцам и железам. Эта дуга не замыкалась в рефлекторное кольцо, характерное для управляемого процесса - она не содержала обратной связи, то есть не учитывала непрерывного контроля за действием и его результатом.
Подвергал критике Н.А. Бернштейн и теорию И.П. Павлова о второй сигнальной системе - свойственной только человеку и отличающей его от животных. По теории И.П. Павлова эта система условно-рефлекторных связей формируется при воздействии речевых сигналов, т. е. не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения. Николай Александрович отмечал, что животные легко дрессируются с помощью слов так же легко, как и с помощью других сигналов - света, звука, запахов. Он считал, что назывательные элементы речи, из которых у человека образовалась категория имен, не могли нести сигнальной функции и не образуют никакой системы.
В то же время он утверждал, что "слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку". Своей критикой Бернштейн не разрушал учение Павлова, а только уточнял, углублял и продолжал его.
Как возражение Павлову Н.А. Бернштейн писал книгу "История учения о нервном импульсе". Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины в 1936 году была запланирована их очная дискуссия. Но Павлов в том же 1936 году умер. Узнав, что его оппонент больше никогда не сможет ему ответить, Николай Александрович отдал в типографию распоряжение рассыпать набор уже готовой книги.
В последующие годы Н.А. Бернштейн создал теорию координации движений, задачей которой считал "преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа, иными словами - превращение его в управляемую систему. Короче, координация есть организация управляемости двигательного аппарата. В основном определении с намерением говорится не о закреплении, притормаживании и т.п. избыточных степеней свободы, а об их преодолении".
Дело в том, что кости в руках и ногах человека скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поэтому кисть руки имеет минимум 7 степеней подвижности, то есть возможность перемещаться по 7 независимым траекториям. И это только одна кисть, а у человека их две, а на каждой из них по 5 подвижных пальцев, состоящих из трех фаланг. Всего звенья тела человека, учитывая подвижность корпуса, обладают объемом движений, выражающимся трехзначным числом. Но это только возможности двигательного аппарата. А как человек осуществляет движения в каждом конкретном случае, когда нужно использовать только небольшую часть этих возможностей? Н.А. Бернштейн считал координацию организацией управляемости двигательного аппарата, заключающейся в преодолении избыточных степеней свободы.
И.П. Павлов и его сторонники считали, что жизнь живых существ представляет собой непрерывные ответные реакции на информацию, поступающую из непрерывно меняющегося мира.
По их мнению, эта информация воздействует на органы чувств и пробуждает образованные ранее многочисленные временные связи (условные рефлексы), которые и определяют поступки и действия животных и человека. Это объясняло далеко не все проявления работы мозга. Сам Павлов это понимал. Он говорил, что когда обезьяна строит вышку, чтобы достать плод, то это условным рефлексом назвать нельзя.
Н.А. Бернштейн считал, что закономерности движений человека объяснить только одними условными рефлексами, как это вытекало из теории И.П. Павлова, нельзя. Заученных, привычных движений очень много, но неизвестных человеку движений значительно больше. А как быть при освоении новых движений, например, при обучении езде на велосипеде, плаванию или игре на рояле? При этом известно, что человек, научившись в детстве или в юности ездить на велосипеде, плавать или играть на музыкальном инструменте, сохраняет эти навыки всю последующую жизнь. Или чтение "с листа", когда музыкант, глядя в ноты, без всякой подготовки играет записанное в них незнакомое музыкальное произведение. Не менее сложна игра "по слуху", когда человек играет на рояле или на гитаре услышанную им мелодию, не зная ее нотной записи. Пианист - виртуоз играет на память сложнейшие музыкальные пьесы. При этом его пальцы движутся как бы сами собой. Стоит ему задуматься во время игры о последовательности их движений, как он может сби
ться. Такова механическая память движений.
Идеи Бернштейна развивали одну из догадок И.М. Сеченова о том, что мозг активен. Мозг не пассивно воспринимает информацию из окружающего мира и только отвечает на нее действием, а сам активно воздействует на мир. При этом он непрерывно создает прогнозы будущего, основанные на вычислении вероятности. Это будущее существует в мозгу в виде модели. Бернштейн понял, что мозгу заранее известна цель любого действия. Эта цель служит причиной для начала действия и может изменяться в самом процессе этого действия, совершаемого по принципу обратной связи - с постоянным сообщением "с мест" о достигнутом результате действия и непрерывной коррекцией движения.
В этом состоит теория активности (биология активности), созданная Н.А. Бернштейном: человек отличается от всего животного мира лишь тем, что у него принцип активности, боевой самоорганизации стал осознанным и формируется в членораздельной речи и языке.
Н.А. Бернштейн создал уровневую теорию управления двигательными навыками. Она заключается в том, что в зависимости от механической сложности и психологической важности движения управление ими осуществляется определенными участками головного мозга. Смысл такого уровневого управления движениями несколькими иерархически соподчиненными кольцами состоит в том, что каждое из этих колец регулирует только часть структуры движения, подчиняясь при этом более высоким кольцам, и так до уровня, управляющего смысловой частью движения. Эти кольца - объединения нервных клеток - нейронов мозга, управляющих движением, распределяют между собой роли по иерархии умения, целой лестнице подчиненности и распределения обязанностей. Часть нейронов только намечает общие пути достижения цели движения и включает крупные подразделения мышц, а за детали исполнения отвечают следующие кольца - группы нейронов и т.д.
На основе достижений биомеханики ученые НАСА -космического агенства США - разработали устройство и программное обеспечение, которое позволяет распознавать слова еще до того, как человек их произнес. Для этого на его горле, по обеим сторонам кадыка ("адамова яблока") закрепляют датчики, которые улавливают нервные импульсы в гортани и ротовой полости еще до того, как слова произнесены. Ведь именно с помощью мышц во рту, горле, на языке и голосовых связках формируются произносимые человеком звуки. Сигналы в нервах этих мышц от мозга появляются еще до того, как слова произнесены вслух. Считывание этих сигналов равносильно чтению мыслей на расстоянии. Эти исследования находятся только в начале пути. Пока удается распознать несколько простых слов (например: налево, направо, иди) и цифры от 0 до 9. В 92% случаев программа узнала то, что испытуемый подумал, но не произнес.
Однако ученые планируют возможность обходиться без клавиатуры при работе на компьютере, возможность людей безмолвно переговарива ться между собой (например, осуществлять общение глухонемых между собой без жестикуляции). Начинает сбываться давняя мечта - узнать, о чем думает человек!
И еще один важнейший научный подвиг совершил Н.А. Бернштейн, на этот раз в только еще рождавшейся космической медицине. В начале 60-х годов готовился первый полет человека в космос. У медиков были серьезные опасения, что космонавт в невесомости потеряет координацию движений и затем не сумеет ее восстановить. За советом обратились к Николаю Александровичу. Он рассуждал так. В космосе гравитация исчезает. И он предложил испытать изменение координации у будущих космонавтов при повышенной гравитации - на центрифуге. Опыты по его методике проводились с В. Быковским, В. Комаровым, Б. Волыновым. Они показали, что координация движения человека сначала нарушается, но постепенно восстанавливается. Первый космический полет Юрия Гагарина блестяще подтвердил этот прогноз. После полета А. Николаева и П. Поповича Н.А. Бернштейн выступил по радио с прогнозом биологического состояния человека в космическом пространстве и опубликовал обзор "Наука штурмует космос".
А теперь поговорим о памяти, связанной с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.
Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточные результаты ("два пишем, четыре в уме"). Но после выполнения всей операции эти промежуточные результаты становятся ненужными и только "засоряют" память. Поэтому они очень скоро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом предлагают ему запомнить их в полном беспорядке, без какого-то смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего 7-8 слогов, но для каждого отдельного человека эта емкость постоянна.При изучении оперативной "механической" памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифра или слог. Предполагают, что средние слоги оказывают "торможение" со стороны соседних и поэтому труднее запоминаются. Из этого правила есть исключение - у профессиональных
ьІ "счетчиков", обладающих специальными приемами запоминания и быстрого счета и использующих их в профессиональных целях в качестве своеобразного аттракциона.
Профессиональная, оперативная и долговременная память
У взрослых людей появляется еще и профессиональная память. Особенно хорошо она видна на примере врачей, помнящих невероятный объем информации: сотни и тысячи болезней, рецепты лекарств, своих пациентов; музыкантов, помнящих огромное число музыкальных произведений; шахматистов, помнящих множество шахматных дебютов, целых партий и способных играть сеансы одновременной игры "вслепую" с большим числом партнеров. Правда, у каждого профессионала вырабатываются свои приемы запоминания, связанные с хорошими знаниями и интересом к своей профессии.
Долговременная память работает совсем не так, как оперативная. Ведь многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь. Так, например, таблицу умножения мы заучиваем в первом классе школы и помним ее всю жизнь - в отличие от результатов каких-то текущих арифметических вычислений. Таким же образом мы запоминаем алфавит родного или иностранного языка, грамматические правила и великое множество самой различной информации.
Способности к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно проявляются у детей в возрасте до 3 лет. Именно за этот период ребенок получает не менее половины информации, которую он запоминает за всю свою жизнь. Достаточно вспомнить, как быстро ребенок (за первые полтора - два года) начинает говорить на родном языке. Да и изучение иностранных языков дается детям гораздо легче и быстрее, чем взрослым, особенно пожилым людям (как и любое другое обучение).
Ослабление памяти в старости начинается с ослабления именно оперативной памяти - именно так проявляется склероз.
Пожилой человек прежде всего забывает свежие события и факты и, в то же время, отчетливо помнит события и факты многолетней давности, даже детства. Чаще всего это начинается с того, что человек забывает, где он положил тот или иной предмет, например, очки, и начинает искать их по всей квартире. Долговременная память у пожилых сохраняется гораздо дольше, чем оперативная. Сохранению долговременной памяти очень способствует интеллектуальная работа в пожилом возрасте, в особенности при занятии любимым делом.
В чем же коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном - механическая. Правда, запоминание можно сделать смысловым. Простейшим приемом является так называемый "узелок на память", то есть установление некоторых смысловых связей.
Определенная часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.
Авиация
Самый "молодой" вид транспорта - авиационный. Ему чуть больше 100 лет. Первый пилотируемый полет самолета с двигателем внутреннего сгорания, работающим на керосине, братья Уилбер и Орвилл Райт совершили 17 декабря 1903 года. За 59 секунд полета первый пилот преодолел расстояние 250 метров со скоростью около 50 км/ч. Фюзеляж заменяла ферма, а кабины не было - летчик помещался внутри фермы и управлял рулями самолета с помощью веревочных тяг. Никаких приборов самолет не имел. Но уже в 1911-1912 годах конструктор Игорь Сикорский построил первый многомоторный самолет "Русский витязь", а затем "Илья Муромец". У этого самого большого тогда в мире самолета была полностью закрытая застекленная кабина для двух летчиков и пассажиров. На самолете "Илья Муромец" был осуществлен (правда, с несколькими промежуточными посадками) перелет из Петербурга в Киев.
Дальность и скорость полетов возрастала с каждым годом, и потребовалось оснастить самолеты целым рядом приборов для навигации сначала при дневных, а затем и при "слепых" полетах - ночных, в тумане и при сплошной облачности. Эти приборы разместили в кабине на приборном щитке пилота и штурмана.
Бортовые приборы помогают пилоту вести самолет. В зависимости от назначения они делятся на пилотажно-навигационные, приборы контроля работы авиадвигателей и сигнализационные устройства. Навигационные системы и автоматы (прежде всего, автопилот) освобождают пилота от необходимости непрерывно следить за показаниями приборов.
В группу пилотажно-навигационных приборов входят указатели скорости, высотомеры, вариометры, авиагоризонты, компасы, указатели положений самолета и др. К приборам, контролирующим работу авиадвигателей, относятся тахометры, манометры, термометры, топливомеры и др.
Пилотажно-навигационные приборы позволяют пилоту следить за положением самолета в воздушном пространстве и осуществлять необходимые воздействия на управляющие органы - рули, элероны и др. К таким приборам относятся указатели высоты, горизонтального положения, воздушной скорости, вертикальной скорости и высотомер.
Указатель пространственного положения - авиагоризонт - представляет собой гироскопический прибор. На нем имеется линия искусственного горизонта и символ самолета, меняющий положение относительно этой линии в зависимости от того, как сам самолет меняет положение относительно реального горизонта.
Высотомер определяет высоту над уровнем моря по зависимости атмосферного давления от высоты. Это барометр, проградуированный не в единицах давления, а в метрах.
При полете над горами используется радиовысотомер - прибор на базе радиолокатора.
Вариометр необходим для поддержания постоянной скорости подъема или снижения. Как и высотомер, вариометр представляет собой барометр. Он показывает скорость изменения высоты, измеряя статическое давление. Применяются также электронные вариометры. Вертикальная скорость самолета указывается в метрах в минуту.
Местонахождение самолета при полете в облаках, за облаками и ночью определяется с помощью панорамного радиолокатора кругового обзора.
Задачи навигации: нахождение оптимального маршрута (траектории), определение местоположения, направления и значения скорости и других параметров полета самолета. В аэронавигации используют астрономические, радиотехнические, геотехнические и светотехнические методы. Применяются астрономические, гироскопические компасы, радиокомпасы, радиопеленгаторы, авиасекстанты.
Вот как описывает приборную доску и навигационное оборудование самолета АНТ-25 (РД - рекорд дальности) Г.Ф. Байдуков ("Первые перелеты через Ледовитый океан: Из воспоминаний летчика"):
Знакомя будущего командира экипажа Валерия Павловича Чкалова с самолетом АНТ-25, Георгий Федорович Байдуков и штурман Александр Васильевич Беляков рассказывают:
"по простому магнитному компасу в Центральной Арктике летать нельзя. Вот для этой цели мы делаем основным методом навигации не компасную, а астрономическую, а на территории США - радионавигацию... - пояснил Беляков.
И тут же показал солнечный указатель курса (СУК) конструкции инженера Сергеева. Затем открыл футляр с секстантом и с гордостью подержал в руке большой морской хронометр, без которого нельзя определить точное время в полете, что так необходимо в штурманских расчетах.
Беляков показал Валерию Павловичу бортовую радиостанцию самолета, способную держать связь на дальности до шести тысяч километров, и свое штурманское место, сиденье которого находилось на запасном бачке резервной воды, необходимой для дополнительного питания системы охлаждения двигателя.
Наконец, я усадил нашего друга на сиденье пилота, и он стал детально рассматривать приборную доску летчика: часы, указатель скорости, высотомер, вариометр, указатель поворота и скольжения, авиагоризонт, магнитный компас, гирополукомпас, указатель радиокомпаса, тахометр, альфометр, термометр масла, термометр воды в системах маслопитания и охлаждения двигателя, указатели давления масла и бензина, тумблеры навигационных огней, подкрыльных осветительных ракет на случай посадки ночью и другие приборы и указатели, а также различные рычаги управления".
Для облегчения работы пилота при длительных полетах на современных самолетах устанавливают автопилот, который точно выдерживает заданный курс, скорость, высоту и горизонтальное положение самолета без вмешательства человека.
Автопилота на самолете АНТ-25 еще не было, и В.П. Чкалов и Г.Ф. Байдуков пилотировали его по 12 часов подряд, по очереди сменяя друг друга, все 64 часа полета через Северный полюс в Америку.
Идея и схема автопилота на основе гироскопа были предложены К.Э. Циолковским в 1898 году. Разработал первый автопилот американский изобретатель Элмер Сперри. Наибольшую известность Сперри принесли его работы по применению гироскопа для решения навигационных задач. В 1910 году Сперри организовал компанию "Сперри джайроскоуп" и возглавлял ее до 1929 года. Он изобрел гирокомпас, который во многих применениях вытеснил магнитный компас. Разработал гиростабилизаторы с электроприводом, уменьшающие бортовую качку судна и удерживающие летящий самолет в горизонтальном положении. Сконструировал гироуправляемые торпеды, автопилоты для автоматического управления судами и приборы для обнаружения подводных лодок.
Впервые полет самолета, автоматически управляемого автопилотом фирмы Сперри (США), был продемонстрирован на Всемирной выставке в Париже в 1914 году. Отечественный автопилот с пневматической исполнительной системой (АВП-1) был создан в 1932 году. Широко применяться автопилоты начали во время и после окончания Второй мировой войны как в военной, так и в гражданской авиации, сначала на самолетах, а затем и на вертолетах.
Многие годы приборная доска самолета состояла из очень большого числа стрелочных приборов, следить за показаниями которых было для пилота и штурмана сложно и утомительно. Успехи электроники и компьютерной техники позволили достичь большей интеграции в конструкции приборной доски кабины экипажа и в авиационной электронике.
В современных бортовых приборах все больше информации выносится на общий монитор. Такой комбинированный (многофункциональный) индикатор дает возможность пилоту одним взглядом охватывать все объединенные в нем индикаторы. Полностью интегрированные цифровые системы управления полетом и жидкокристаллические индикаторы дают пилоту лучшее представление о пространственном положении и местоположении самолета, чем это было возможно ранее.
Новый тип комбинированной индикации - проекционный - дает пилоту возможность проецировать показания приборов на лобовое стекло самолета, тем самым совмещая их с панорамой внешнего вида. Такая система индикации применяется не только на военных, но и на некоторых гражданских самолетах.
Во время Первой мировой войны был изобретен звукоулавливатель. Он применялся для обнаружения самолетов противника по шуму их моторов, наводки прожекторов, обеспечения стрельбы зенитной артиллерии и действий истребительной авиации. Но скорость самолетов быстро росла, и с помощью такого звукоулавливателя стало невозможным своевременно обнаружить самолеты противника. В конце 1930-х гг. на смену звукоулавливателю пришла радиолокация: метод обнаружения и определения местонахождения объектов посредством радиоволн. Эти волны излучаются радиолокационной станцией, отражаются от объекта и возвращаются на станцию, которая анализирует их, чтобы точно определить место, где находится объект.
Первым применением радиолокации были поиск и дальнее обнаружение бомбардировщиков противника. Перед Второй мировой войной Великобритания построила сеть радиолокационных станций дальнего обнаружения для защиты от внезапных воздушных налетов со стороны Ла-Манша. Сегодня более совершенные радиолокационные сети защищают от внезапного нападения авиации или ракет. Корабли и самолеты также оснащаются радиолокаторами. Это сделало возможным наведение истребителей на вражеские бомбардировщики с наземных радиолокаторов слежения или с корабельных радиолокаторов перехвата; можно также применять бортовые самолетные радиолокаторы для обнаружения, слежения и уничтожения техники противника. Бортовые радиолокаторы используются для поиска объектов над сушей или морем и для оказания помощи в навигации или при слепом бомбометании.
Ракеты с радиолокационным наведением оснащаются для выполнения боевых задач специальными автономными устройствами. Для распознавания местности на самонаводящейся ракете имеется бортовой радиолокатор, который сканирует земную поверхность и соответствующим образом корректирует траекторию полета. Радиолокатор, расположенный поблизости от противоракетной установки, может непрерывно отслеживать полет межконтинентальной ракеты.
На современных истребителях и бомбардировщиках применяется электронная система распознавания "свой/чужой". Эта кодовая система распознавания является одним из важнейших военных секретов государства.
На гражданских самолетах радиолокаторы используют для решения ряда задач, в том числе для определения высоты полета относительно земли. В аэропортах один радиолокатор служит для управления воздушным движением, а другой - для управления заходом на посадку. Он помогает пилотам посадить самолет в условиях плохой видимости.
Первые самолеты использовали для взлета и посадки любую ровную площадку - так невелика была их взлетная и посадочная скорость. У современных самолетов взлетная и посадочная скорость - 200-300 км/ч, а разбег при взлете и пробег после посадки составляет несколько сотен метров. Поэтому длина взлетно-посадочной полосы (ВПП) - около 3000 м. Для обеспечения посадки ночью и в плохую погоду на расстоянии около 1000 м от начала ВПП с обеих сторон устанавливают посадочные огни приближения - цепочку прожекторов по осевой линии полосы. Перпендикулярно огням приближения располагают 5-6 световых горизонтов - огней красного цвета. Они помогают пилоту осуществлять посадку под нужным углом к полосе. Кроме того, пилот при посадке ориентируется по радиомаякам: курсовой маяк указывает направление на осевую линию полосы, а глиссандный - задает траекторию снижения.
Аэродромный радиолокатор кругового обзора показывает на экране воздушную обстановку в зоне аэродрома: где, на каких высотах и с какой скоростью летят самолеты. С помощью такого локатора авиадиспетчер управляет движением и обеспечивает безопасное расстояние самолетов друг от друга. Управление движением самолетов осуществляется с высокой застекленной башни на аэродроме - командно-диспетчерского пункта.
Управление воздушным движением самолета (УВД) от взлета до посадки обеспечивает порядок и безопасность полетов в диспетчерском воздушном пространстве и обмен информацией между авиадиспетчерами и экипажами самолетов с использованием компьютеров и радионавигационных средств. Система УВД имеет сеть пунктов управления, в которую включены центры УВД на воздушных трассах, аэропортовые контрольно-диспетчерские пункты (КДП), центры авиадиспетчерской службы, радиолокационные станции дальнего действия и диспетчерские РЛС, радионавигационные станции и системы автоматизированного управления посадкой.
Самолет управляется в соответствии с правилами визуального полета (ПВП) или правилами полетов по приборам (ППП). Согласно ПВП, летчики, выполняя полет, обязаны следить за другими самолетами, не допуская столкновений, и не должны входить в зоны с низкой облачностью и плохой видимостью. ППП применяются летчиками, управляющими самолетом по приборам в соответствии с указаниями авиадиспетчера. Летчик может руководствоваться теми или иными правилами полета в зависимости от погодных условий, но при любых обстоятельствах он должен следить за показаниями приборов и выполнять государственные и международные авиационные правила. В целях безопасности гражданские воздушные лайнеры обычно используют ППП. Воздушное пространство делят на диспетчерское и неконтролируемое. Службы УВД осуществляют контроль в диспетчерском воздушном пространстве, в которое включают низкие и высотные воздушные трассы, диспетчерские зоны аэропортов и диспетчерские районы.
Воздушная трасса представляет собой коридор, границы которого отстоят на 6,5 км от осевой линии. Внутри этого коридора гарантируется безопасность полета самолета по приборам.
Диспетчерская зона - это воздушное пространство около аэропорта, ограниченное полусферой радиусом 8 км. В диспетчерских зонах крупных аэропортов обеспечивается безопасность полета самолетов в условиях плохой видимости.
Диспетчерский район аэропорта - это обслуживаемая диспетчерской службой часть воздушного пространства, выходящая за пределы воздушных трасс и диспетчерских зон. Диспетчерский район позволяет отделить летчиков, работающих по ПВП, от летчиков, использующих ППП.
<
Автомобильный транспорт
Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания создали Г. Даймлер и К. Бенц в 1885-1886 гг. Он представлял собой открытую коляску с ручкой управления и тормозом. Ездил он с очень малой скоростью - не более 10-12 км/ч. Никаких приборов не имел. Первую модель своего автомобиля ("модель III") К. Бенц выпустил для продажи в 1886 году. Всего с 1886 по 1894 гг. было продано 25 экземпляров. Интересовали они в основном спортсменов-любителей. На движение по дорогам в первые годы автомобиль не влиял. Развитие автомобильной промышленности началось лишь в XX веке. Возросла мощность двигателей - от 2-3 кВт в начале века она увеличилась в конце века до 200 кВт. Значительно повысилась скорость - она быстро достигла 100 и более км/ч. Такая скорость потребовала создания более удобных и комфортабельных машин с закрытым кузовом, оснащенных целым рядом приборов - измерителей скорости, количества бензина, масла и т.д. Их расположили на приборной доске перед водителем. Автомобили оснастили осветительными фарами , габаритными, поворотными и тормозными сигналами, зеркалами заднего вида.
Сильнейший толчок развитию автомобильной промышленности дал метод поточной (конвейерной) технологии сборки автомобилей, впервые в мире примененный в 1913 году Генри Фордом на своем заводе. Это позволило всего за один год поднять производительность труда на 40-60% и достигнуть при этом стандартизации и взаимозаменяемости деталей.
С 1910 по 2000 гг. в мире было выпущено 1,3 миллиарда автомобилей. За это время автомобиль стал главным индивидуальным транспортным средством. Еще 1,3 миллиарда машин будет произведено к 2010 году.
Появление автомобильного транспорта потребовало строительства дорог с твердым покрытием. В Европе и Америке начали строить широкие асфальтированные дороги. С увеличением интенсивности движения жизнь потребовала строительства скоростных автомагистралей.
В настоящее время в мире насчитывается 15 млн км благоустроенных дорог, в том числе в Российской Федерации - до 1 млн км.
В результате появления автомобилей территория промышленно развитых стран покрылась густой сетью автомобильных дорог - главных транспортных артерий XX и начала XXI веков.
Все нарастающая интенсивность и скорость движения заставила выработать необходимое информационное обеспечение автомобильного транспорта. Дорога, транспорт, человек, - это три основных составляющих дорожного движения. Были выработаны правила дорожного движения (ПДД) и сигнализация, необходимые для обеспечения безопасности водителей, пассажиров и пешеходов.
Эти правила регламентируют обязанности водителей транспортных средств и пешеходов, а также технические требования, предъявляемые к транспортным средствам для обеспечения безопасности дорожного движения.
В первое время ПДД в разных странах отличались друг от друга.
В 1909 году в Париже на международной конференции были приняты единые правила, общие для всех стран Европы. В 1940 году в СССР были утверждены первые типовые правила движения, на базе которых стали создаваться единообразные правила на местах. Правила дорожного движения Российской Федерации были приняты в 1993 году.
Первый трехцветный (красный, желтый, зеленый) автоматический светофор был установлен в Нью-Йорке в 1918 году, а в Москве и Ленинграде такие светофоры появились в 1930 году.
С увеличением скорости движения автомобилей возникла необходимость информировать водителя о состоянии дороги впереди, о том, насколько она безопасна для движения. Так появились требования располагать дорожные знаки на определенном расстоянии от препятствия. Существуют знаки для указания направления движения, запретительные знаки (например, знаки железнодорожного переезда), знаки подачи звукового сигнала, знаки для пешеходов. В систему дорожных знаков входит и дорожная разметка - горизонтальная и вертикальная.
Горизонтальная разметка (линии, стрелы, надписи и другие обозначения на проезжей части) устанавливает определенные режимы и порядок движения. Вертикальная разметка в виде сочетания черных и белых полос на дорожных сооружениях и элементах оборудования дорог показывает их габариты и служит средством зрительного ориентирования.
Изобретение компьютера и развитие цифровых информационных технологий позволило коренным образом усовершенствовать информационное обеспечение автомобилей.
В современных автомобилях все системы и агрегаты - двигатель и трансмиссия, тормоза, система рулевого управления, подвески, система безопасности, система поддержания определенной температуры и влажности в салоне, - контролируются и управляются бортовыми компьютерами. Во многих современных автомобилях имеются проигрыватель компакт-дисков, автомат их смены, кассетная стереодека, один или несколько встроенных сотовых телефонов и навигационный компьютер, содержащий приемник спутниковой системы навигации (GPS). В нем применяются электронные карты местности для определения точного местоположения автомобиля на местности и прокладывания маршрута следования. Такой радионавигатор снижает утомляемость за рулем и позволяет экономить время и деньги на объездах и поисках.
Изменился вид приборной доски. Вместо набора стрелочных приборов используется единый жидкокристаллический монитор, на котором информация о скорости, расходе топлива и пробеге либо дается водителю в цифровой форме, либо имитируется в виде стрелочных приборов. Применяются сенсорные дисплеи, чувствительные к прикосновению, и электронное табло спидометра с проектором скорости на лобовое стекло.
Для автомобилей разработаны видео/аудиоцентры и системы навигации. В него входит 5-дюймовый монитор на жидких кристаллах, радио (ЧМ и СВ), проигрыватель CD- и DVD-дисков, видео, телевизионный тюнер, система навигации и акустическая система.
В Москве уже работает опытное цифровое телерадиовещание. Прием мобильного пакета будет вестись на мобильные телевизионные приемники, оборудованные жидкокристаллическим дисплеем.
Когда-то путешественники ориентировались по звездам. Сегодня навигация осуществляется по сигналам искусственных спутников. При подключении системы навигации трехмерные карты на мониторе и аудиогид помогают водителю благополучно доехать до пункта назначения. Как только водитель вводит в систему навигации пункт, до которого ему нужно добраться, система сразу же ищет наилучший маршрут (например, кратчайший путь).
По желанию можно задать до 4 пунктов, через которые вы хотите проехать до конечного пункта. Затем система указывает маршрут при помощи стрелки на карте и голоса. Трехмерная карта позволяет видеть объекты впереди и трехмерные увеличенные изображения перекрестков. Голосовой гид системы навигации предупреждает о приближении к перекрестку, например, так: "Через 600 метров сделайте левый поворот" (рис. 11.1)
Рис. 11.1. Система спутниковой навигации в автомобиле Volkswagen Passat
В салоне автомобиля можно легко разместить самые разные мобильные устройства - ноутбук или палмтоп, принтер, сканер, факс. Ведущие мировые производители (BMW, DaimlerCrysler, Ford, Fiat, General Motors, Honda, Renaut, Volkswagen) стремятся объединить все электронные приборы и устройства автомобиля в единую сеть - своеобразный передвижной офис.
К электронному оснащению современного автомобиля относятся и приспособления hands free ("свободные руки"). Особенно актуальным становится их использование после того, как в России с апреля 2001 года было введено правило, запрещающее водителям разговаривать во время езды по мобильному телефону. Ведь при этом приходится держать его одной рукой, а другой управлять автомобилем, что нарушает безопасность движения (рис. 11.2). "Cвободные руки" (наушник с микрофоном) позволяют держать руки на рулевом колесе.
Рис. 11.2. Приспособление hands free ("свободные руки")
Наиболее простыми приспособлениями hands free могут служить "пешеходные" гарнитуры. В их состав входят наушник, микрофон и специальная клипса, с помощью которой микрофон закрепляется поближе ко рту.
В более дорогие устройства "свободные руки" для автомобиля входит чувствительный микрофон, позволяющий говорить в машине, не напрягая голоса, и выносная антенна, улучшающая прием.
Однако после внедрения приспособлений "свободные руки" аварийность на дорогах не уменьшилась: водители, болтая по телефону во время движения, теряют контроль над автомобилем и поздно реагируют на внезапно возникающую опасность.
Реакция водителя, разговаривающего по телефону, замедляется в два раза. Поэтому пользоваться приспособлениями "свободные руки" категорически не рекомендуется водителям во время движения автомобиля.
Технология Blue Eyes регистрирует движения глаза водителя и частоту моргания. Инфракрасная камера следит за положением глаз, и если система не находит глазного яблока, считается, что водитель во время движения автомобиля заснул. Тогда раздается сигнал тревоги, который разбудит водителя и тем самым предотвратит одну из самых опасных аварийных ситуаций.
Другие применения технологии Blue Eyes - регистрация водителя по индивидуальному рисунку радужной оболочки глаза, анализ мимики его лица. Когда он садится за руль, система автоматически настраивает положение зеркал и сиденья. Если водитель нахмурится, система автоматически включит веселую музыку.
Для обеспечения дополнительной безопасности при выполнении заднего хода выпускается комплект из видеокамеры и ЖК-дисплея. Камера закрепляется рядом с задним номерным знаком автомобиля и передает изображение по беспроводному соединению на экран с диагональю 2,5 дюйма, который монтируется на приборной доске.
Для обеспечения безопасности при движении задним ходом применяется парковочный радар. Принцип его действия основан на современной технологии измерения расстояния до препятствия с помощью ультразвукового сигнала. Датчики, установленные около заднего бампера, и система индикации расстояния до препятствия облегчат парковку и маневрирование в ограниченном пространстве, а также в темное время суток. Помимо датчиков, система комплектуется звуковым и/или световым индикатором расстояния. Они устанавливаются на приборной панели и дают водителю мгновенную информацию о расстоянии до приближающегося препятствия.
Когда автомобиль движется задним ходом, водитель видит не все. Паркуя автомобиль во дворе или окрестности детской площадки, можно не заметить рядом с задним бампером автомобиля ребенка 2-4 лет. Это особенно опасно.
Столбики, высокие бордюры, крупные предметы, лежащие на земле, - все это находится вне поля зрения водителя.Как результат - повреждения бампера, случайные царапины, вмятины и расходы на ремонт. Парковочный радар способен своевременно предупредить водителя о приближении не только к крупным препятствиям, но и к малогабаритным объектам и объектам небольшой высоты, что особенно полезно в темное время суток.
Адаптивный круиз-контроль (АСС) умеет не только поддерживать заданную скорость движения, но и может автоматически поддерживать заданное расстояние до впереди идущего автомобиля. Радар, установленный на решетке радиатора, способен распознавать движущиеся впереди (тем же курсом) автомобили. Если полоса свободна, система поддерживает заданную вами скорость. Если же радар распознает автомобиль, движущийся перед вами на более низкой скорости, система автоматически уменьшает подачу топлива в цилиндры двигателя, а при необходимости даже притормаживает машину, используя рабочую тормозную систему.
Водный транспорт
Первые человеческие поселения располагались на берегах рек, озер и морей, а водные пути стали первыми транспортными магистралями. При плавании по рекам можно было обходиться без средств навигации, ориентируясь по берегам. Но как только судно оказывалось в открытом море или большом озере, требовались средства ориентации для определения местоположения корабля, направления и скорости его движения, глубины морского дна и др.
Единственным морским навигационным прибором в древности был ручной лот, позволявший измерять глубину морского дна под днищем корабля. Он представлял собой размеченный трос с привязанным к нему грузом. Но с его помощью можно было измерять глубину не более 50 метров, а в океане глубина дна достигает нескольких тысяч метров. В середине XIX века были изобретены механический и гидростатический лоты, позволявшие измерять глубину до 1,5-2 тысяч метров. А в начале XX века был изобретен эхолот, дающий возможность измерять любую глубину океанского дна. Эхолот - прибор, замеряющий время между излучением звукового сигнала и приемом эха и таким образом определяющий расстояние до дна. На основе принципа звуковой локации французский физик П. Ланжевен и русский инженер К.В. Шиловский создали первый гидролокатор, позволяющий определить местоположение и скорость подводных объектов относительно дна.
В древности мореплаватели ориентировались по Солнцу и звездам. Полярная звезда всегда показывает направление на север. Но звезды видны только в ночное время, а Солнце - только при ясном небе. Самым значительным изобретением в истории мореплавания стал магнитный компас, показывающий направление географического или магнитного меридиана в любое время суток и при любой погоде. Его использовали в древнем Китае. Кусок железной руды - магнитного железняка, плавающий в воде, служил магнитной стрелкой. В XII-XIII веках арабские мореплаватели завезли его в Европу. В 1902 году итальянец Флавий Джой сконструировал компасную картушку. Он соединил диск из немагнитного материала с равномерно нанесенными делениями - картушку - с магнитной стрелкой.
Известный русский кораблестроитель академик А.Н. Крылов считал, что без магнитного компаса Колумб не смог бы открыть Америку.
Для измерения скорости корабля в 1577 году Г. Коль создал лаг. Он представлял собой трос с плавучим якорем - брезентовым мешком на конце. Трос был размечен узлами, вплетенными в него через равные промежутки. Этот мешок на тросе опускали с борта идущего корабля. В воде он останавливался и тянул за собой трос. Для измерения скорости нужно было подсчитать число узлов на тросе, опускавшихся в воду за 30 секунд. Это позволяло измерить скорость корабля в милях в час - в "узлах". В XX веке были созданы гидродинамический и индукционный лаги.
Координаты корабля (его географическую долготу и широту) определяли с помощью секстанта и хронометра (точных механических часов). При помощи секстанта - угломерного прибора, изобретенного в начале XVIII века, - измеряют угловые высоты солнца и звезд и по ним рассчитывают широту местонахождения корабля.
Время на корабле в древности также определяли по Солнцу и звездам. Но в дальнейшем значительное расширение морских торговых связей требовало более точных методов навигации. Для более точного определения времени потребовалось создать механические часы.
У механических часов были многочисленные предшественники. Наиболее древние из них - солнечные часы. Они состоят из циферблата и стержня, тень от которого, перемещаясь по циферблату вследствие движения Солнца по небу, показывает истинное солнечное время.
В своем первоначальном виде они имели форму обелиска. Во втором тысячелетии до н. э. появились водяные часы. Существовали и песочные часы. Но все они не обеспечивали достаточной точности измерения времени.
Основанные на колебаниях маятника современные механические часы были созданы Х. Гюйгенсом в 1657 году. А первые точные механические часы - пружинный хронометр, способный работать в корабельных условиях, сконструировал Дж. Гаррисон в 1735 году.
Для навигации есть еще важнейший ориентир: береговые или стоящие на якоре плавучие маяки - высокие башни с мощным источником света, который виден на расстоянии не менее 19-20 км.
Легендарный маяк на острове Фарос вблизи города Александрия высотой более 100 метров был построен в 323-283 гг. до н.э. Он был разрушен в XIV веке. Первый маяк в России был построен по приказу Петра I в 1702 году. Он представлял собой деревянную вышку, на вершине которой разжигали костер.
И, наконец, необходимы навигационные морские карты, по которым штурман ведет корабль. В конце 16-го века фламандский картограф Г. Кремер (Меркатор) создал цилиндрическую равноугольную проекцию (названную в его честь меркаторской), по которой с тех пор до настоящего времени составляются бумажные морские карты. Таковы традиционные морские навигационные средства.
Изобретение радио, успехи радиоэлектроники, вычислительной и космической техники позволили в XX веке коренным образом усовершенствовать методы и средства морской навигации и связи.
На смену морским механическим хронометрам пришли электронные часы, действие которых основано на колебаниях кристалла кварца - кварцевого генератора. Они обеспечивают точность на несколько порядков выше, чем у механических часов.
А.С. Попов изобрел радиотелеграф в 1895 году и весной 1897 года начал практические опыты по использованию радиосвязи в Кронштадской гавани. Уже в 1898 году он применил первые две приемно-передающие станции, с помощью которых была установлена связь между учебным судном "Россия" и крейсером "Африка". Эти опыты доказали возможность беспроволочной связи при любых метеорологических условиях - даже в тумане, когда сигналы световой сигнализации недоступны для приема.
К лету 1897 года на средства Морского министерства были изготовлены еще три приемно-передающие станции и установлены на броненосцах черноморской эскадры "Георгий Победоносец" и "Три Святителя". Они позволили достигнуть дальности радиотелеграфной связи в 5 километров.
При этом Попов обнаружил явление отражения радиоволн от предметов на пути их распространения, в том числе и от кораблей. Позднее это явление привело к созданию радиолокации.
В 1900 г. А.С. Попов осуществил радиотелеграфную связь в Балтийском море на расстоянии свыше 45 км между островами Гогланд и Кутсало, недалеко от города Котка. Эта первая в мире практическая линия беспроволочной связи обслуживала спасательную экспедицию по снятию с камней броненосца "Генерал-адмирал Апраксин", севшего на мель у южного берега Гогланда.
Первая радиограмма, переданная А.С. Поповым на остров Гогланд 6 февраля 1900 года, содержала приказ ледоколу "Ермак" выйти на помощь рыбакам, которых унесло на льдине в море. "Ермак" выполнил приказ, и 27 рыбаков были спасены. Эти успешные работы по спасению людей доказали несомненные преимущества беспроволочной телеграфной связи и заставили Морское министерство ввести радиотелеграфную связь на боевых кораблях российского военного флота.
Таким образом, становление радиосвязи с самого начала связано с морским флотом.
Затем были созданы средства радионавигации: радиокомпасы, радиопеленгаторы, береговые и спутниковые радионавигационные системы, радиолокационная техника.
С помощью радиолокаторов было обеспечено безопасное плавание кораблей в тумане. Если бы радиолокация была изобретена не в 1940-1950-х годах, а в начале 20-го века, трагедии с "Титаником", наскочившим в тумане на айсберг, можно было бы избежать. Радиолокатор позволяет видеть в темноте и в тумане, что находится вокруг корабля. Вращающаяся антенна локатора на мачте посылает импульсы ультракоротких радиоволн. Встречающиеся на пути корабля предметы, например, другие корабли или айсберги, отражают радиоволны, которые улавливает чувствительный приемник радиолокатора. На экране кругового обзора радиолокатора в этом направлении появляются яркие вспышки.
Для атомных подводных лодок и ледоколов, плавающих в околополярных широтах, где непригоден магнитный компас, были созданы инерциальные навигационные системы. Гироскопический компас представляет собой тяжелый волчок, вращаемый мотором с частотой в 1700-3000 об./мин. Волчок обладает свойством сохранять в пространстве заданное положение оси, например, меридиональное направление с севера на юг.
Это и дает возможность использовать его в качестве гирокомпаса.
Однако при приближении к полюсам гирокомпас дает менее точные показания. Поэтому на кораблях используют оба вида компасов - магнитный и гироскопический. На основе чувствительного гирокомпаса создана и система автоматического управления движением корабля - авторулевой. Современные средства цифровой вычислительной техники позволили разработать автоматизированные системы управления кораблями, дающие возможность проложить оптимальный маршрут с учетом погодных условий и морских течений на пути плавания.
Успехи космонавтики позволили создать в конце XX века системы спутниковой навигации.
В 1965 году в СССР был запущен первый спутник связи "Молния-1". Позднее была создана система дальней космической связи "Орбита". Она состоит из сети наземных станций и искусственных спутников Земли "Молния", "Радуга", "Горизонт". На территории России размещено около 100 таких станций.
В конце XX века были созданы международная спутниковая система для спасения экипажей терпящих бедствие судов и самолетов КОСПАС-САПСАТ, международная космическая система "Инмарсат" для обеспечения телеграфной и телефонной связи между кораблями, плавающими в любых точках Земли.
За последние годы созданы электронные навигационные карты. На экране монитора отображается район плавания корабля с сушей, гаванями и другими объектами.
Спутниковая навигация позволяет определить координаты (с точностью до 100 м) и скорость движения корабля (с точностью до 0,3 м/с) во всех районах земного шара.
Железнодорожный транспорт
По сравнению с водным транспортом, насчитывающим тысячелетия, железнодорожный транспорт - относительно молодой. Первую железную дорогу Джордж Стефенсон создал в 1825-1830 годах.
Движение на железных дорогах в первое время после постройки происходило с незначительной скоростью. При начале движения паровоз не подавал сигнала. Однако уже на открытии линии Ливерпуль-Манчестер произошел несчастный случай. Один из членов парламента, сторонник сооружения железной дороги, подошел к поезду и решил обменяться рукопожатием с герцогом Веллингтоном, уже сидевшим в вагоне. Но поезд тронулся, и человек попал под колесо. Этот случай заставил Джорджа Стефенсона задуматься над необходимостью применения каких-либо сигналов для обеспечения безопасности железнодорожного движения. По указанию Стефенсона были введены сигналы, которые подавали сторожа: днем - флажками, ночью - ручными фонарями. Машинистам выдали рожки, которые в 1835 г. были заменены паровым свистком. С 1834 г. на линии Ливерпуль-Манчестер были введена сигнализация с помощью поворачивающихся деревянных столбов. В 1841 году англичанин Грегори изобрел семафор - мачту с подвижным крылом. Сигналом в нем служит положение крыла относительно мачты. Использование семафора позволило перейти от движения поездов с разграничением по времени к разграничению в пространстве. Средствами связи при движении поездов служили телеграф, а позднее телефон.
Затем для обеспечения безопасности движения поездов была введена блокировка, с помощью которой путевые семафоры запирались на время, пока на соответствующем участке пути находился поезд. Первой практически удовлетворительной системой блокировки была система Тейера, появившаяся в 1852 году в Англии и примененная в 1868 году в России.
Дистанционное управление стрелками (т. е. централизация стрелок) появилось впервые в Англии и затем в Германии (1860-1867 гг.). Введение на русских железных дорогах систем централизации стрелок и сигналов относится к 1900-1905 гг. Сначала появилась гидравлическая система, а в 1909 г.
была построена первая в России электрическая централизация системы Всеобщей компании электричества.
Первая попытка устройства автоматической блокировки была произведена во Франции в 1859 г. на железной дороге Париж-Сен-Жермен.
Затем появился более совершенный и в то же время более простой метод связи поезда с путем - рельсовая цепь. В 1867 г. Вильям Робинзон предложил использовать ходовые рельсы в качестве проводников электрического тока и создал специальную конструкцию путевого приемника. В 1869 г. он разработал модель первой автоблокировки, которая демонстрировалась на выставке в Нью-Йорке. При наезде поезда рельсовая цепь замыкается его скатами. Такая рельсовая цепь, получившая название нормально разомкнутой, имела ряд недостатков, основным из которых было отсутствие контроля целостности и исправности цепи. После дополнительной проработки Робинзон в 1872 г. предложил более совершенную нормально замкнутую рельсовую цепь. Она сразу получила признание, так как недостатки предшествующей цепи в ней были устранены.
Одним из самых опасных элементов, входивших в общую систему железнодорожной сигнализации, являлся человек, обслуживающий сигнализацию или пользующийся ею, со свойственными его природе недостатками.
Это обстоятельство привело к необходимости в 80-х годах прошлого столетия введения в эксплуатацию автостопов - приборов, останавливающих поезд при проходе его мимо или при приближении к закрытому семафору. Для этой цели от воздухопровода пневматического тормоза делался отвод на крышу паровоза.
На конце отвода имелась стеклянная запаянная трубка или поворотный кран. С семафорным крылом или приводом был соединен рычаг, который при открытом семафоре располагался вдоль мачты, при закрытом - становился на пути трубки, которая разбивалась и соединяла воздухопровод с атмосферой. Происходило торможение.
При больших скоростях движения поездов такое примитивное решение оказалось непрактичным, ибо резкая остановка пассажирского поезда могла вызвать беспокойство среди пассажиров, а у грузового состава - повлечь за собой сход с рельсов.
Были созданы авторегулировочные системы, при которых скорость поезда автоматически понижалась в определенных местах. Поезд останавливался, как правило, лишь после предварительного снижения скорости.
Современный железнодорожный транспорт представляет собой сложную динамическую систему, в которую входят пути, станции, парк грузовых, пассажирских вагонов, локомотивов и обслуживающий персонал.
Для обеспечения надежной и безаварийной работы всего этого большого хозяйства используются системы сигнализации, связи и управления.
С развитием сети железных дорог и увеличением скорости движения поездов потребовались более совершенные средства связи и управления, такие как автоматическая блокировка и автоматическая локомотивная сигнализация. Затем стала применяться радиотелефонная связь, а в конце XX и начале XXI века в управлении ж.-д. транспортом широкое применение нашли телевидение, компьютер и Оптоволоконные линии связи.
Основной причиной большинства аварий и катастроф на транспорте является человеческий фактор: прежде всего, ошибки водителей и диспетчеров. Но совершить ошибку на разных видах транспорта человек может по-разному. Например, на железнодорожном рельсовом транспорте отсутствует такое средство управления, как руль, следовательно, машинист физически не может ошибиться, вращая его, а такая ошибка очень часто допускается водителями автомобилей.
Наибольшие возможности в автоматизации процесса принятия решений предоставляют, естественно, различные виды рельсового транспорта.
В СССР первая автономная система автоведения поезда (так называемый "автомашинист") была создана еще в 1957 году. Но полная автоматизация управления поездом впервые была внедрена на рубеже 1980-х и 1990-х годов во Франции, в метрополитене города Лилль. Ведь поезд метро полностью изолирован от влияния погоды, от возможного желания водителя изменить направление движения, от риска столкновения со встречным или желающим совершить обгон транспортным средством и т.д. Система автоведения поездов лилльского метро управляет всем процессом движения - от пуска до полной остановки.
Различают автономные и централизованные системы автоведения поездов, причем первые управляют только одним поездом, а вторые - всеми поездами на линии метрополитена или железнодорожном направлении. Централизованные системы автоведения поездов используются в первую очередь на пригородных и городских железных дорогах. Примером может служить система "ВАРТ", применяемая в США.
Метрополитен в Пекине станет первой китайской подземкой, где машиниста в поездах заменит "автопилот". Впервые такая система будет внедрена на линии метро, которая свяжет пекинский аэропорт с районами на востоке китайской столицы. Общая протяженность ветки с четырьмя станциями составит больше 27 километров. Поездка по ней займет всего 16 минут. Она будет принята в эксплуатацию накануне пекинской Олимпиады-2008. Применение новейших технологий позволит экспрессам на этой линии стать малошумными и при этом развивать скорость до 110 километров в час, что на 30 км/ч больше, чем у обычных метропоездов.
Финансы, банковское дело, торговля
Экономика, финансы и торговля - это области, целиком связанные с расчетами материальных, денежных ресурсов и живого труда.
Цивилизованная торговля невозможна без денег. Деньги (money) представляют собой товар особого рода, используемый при обмене как эквивалент всех других товаров. Информация о деньгах, о курсе валют интересуют практически всех людей. Деньги являются основой финансово-экономической системы любой страны. Курс основных валют публикуется во всех газетах, объявляется в выпусках новостей по радио и телевидению.
У денег существует пять основных функций:
Мера стоимости: деньги измеряют стоимость товаров через цены, сравнивая между собой товары с качественно различными потребительскими свойствами. Средство обращения - деньги играют роль посредников при товарообмене. Вместо того чтобы обменивать непосредственно один товар (Т1) на другой (Т2) - это называют бартером, - товаропроизводители получают за проданный ими товар деньги (Д), на которые приобретают нужные им иные товары. Эту функцию описывают формулой Т1 - Д - Т2. Средство накопления - при помощи денег создается некий запас богатства. Речь идет об обыкновенном накоплении средств перед покупкой какого-либо дорогостоящего товара (или накоплении для иных целей). Например, чтобы купить машину, надо в течение ряда лет откладывать деньги, пока не накопится нужная сумма. Происходит разрыв цепочки: вместо Т1 - Д - Т2 происходит сначала Т1 - Д, и только затем, спустя значительный промежуток времени, Д - Т2: деньги временно извлекаются из оборота и находятся "на руках" у товаропроизводителей, продажа одного товара не сопровождается немедленной покупкой другого. Средство платежа - движение денег "отрывается" от движения товаров, запаздывает по сравнению с ним. Это происходит при развитии кредита. Так, покупатель может купить машину в рассрочку, в результате чего он сразу становится ее обладателем, но еще в течение длительного времени вносит частями платежи за нее. Особенно ярко этот отрыв проявляется во взаимоотношениях граждан и государства: налоги в принципе являются платой за предоставляемые государством "общественные товары" (услуги защиты прав собственности, военной защиты, систем общедоступного образования и здравоохранения), однако величина этих услуг, предоставленных конкретному гражданину, слабо зависит от количества конкретно им уплаченных налогов. Мировые деньги - свободное обращение некоторых видов денег за пределами своих национальных границ.
До 20 в. роль мировых денег играли денежные знаки из благородных металлов. В наши дни эту роль выполняют наиболее надежные национальные валюты (прежде всего, доллар и евро).
Возникновение денег. Как только в первобытном обществе возник систематический обмен разными товарами, появилась и необходимость в изобретении денег. В тех случаях, когда не было этого универсального товара, обмен оказывался очень затрудненным.
Чтобы получить возможность совершать сделки купли-продажи с любыми товарами, начали использовать первые "первобытные деньги". Их роль в разных регионах планеты выполняли самые различные особые товары, обладавшие относительной однородностью, распространенностью, высокой и постоянной ценностью: скот, зерно, меха, редкие раковины, соль, рабы и т.д.
Чаще всего роль "первобытных" денег выполнял скот. Латинское название денег "pecunia" происходит от "pecus" - скот, домашние животные. Так было и у славян: от древнеславянского слово "скот" произошли первые русские финансовые термины: "скотница" - казна, "скотник" - казначей. Другой денежной единицей Древней Руси являлись шкурки куницы (куны).
В отдаленных регионах планеты такие деньги использовались даже в 20 в. По мере развития товарообмена из многих видов "первобытных" денег выделились драгоценные металлы, которые постепенно стали универсальной формой денег.
Металлические деньги. Однако скот, раковины, шкурки не были еще полноценными деньгами. Ведь они не обладали в полном объеме качествами, необходимыми деньгам - например, способностью дробиться на мелкие доли и объединяться в любых количествах при полном сохранении своих качеств.
Лишь золото и серебро смогли стать универсальными деньгами, поскольку они не портились с течением времени и легко делились на части. Эти металлы обладали одновременно высокой стоимостью и относительно широкой распространенностью (они встречаются практически во всех регионах планеты, но в малой концентрации).
Поскольку для добычи небольшого количества денежного металла было необходимо затратить большое количество труда, то этот металл был очень портативен - небольшой кусочек золота обладал высокой ценностью, что облегчало его использование в товарообороте.
В обмене использовались слитки непроизвольных размеров, требующие постоянного взвешивания, а стандартизированной формы и качества. Примерно в конце 7 в. до н. э. в Лидии (Малая Азия) были изобретены монеты - круглые слитки драгоценных металлов, чьи стандарты гарантировались государственной чеканкой. Монеты быстро стали универсальным средством обмена для большинства цивилизаций Старого Света. Происхождение слова "монета" связано с названием храма богини Юноны-Монеты (от лат. moneo - советую), на территории которого с 275 г.до н.э. началась чеканка денежных знаков Древнего Рима.
Поскольку золотые и серебряные монеты обладали собственной ценностью, их можно было использовать во всех странах, где были в ходу металлические деньги. Однако каждое государство стремилось чеканить собственную монету, демонстрируя этим свой суверенитет.
На территории России чеканка собственных монет, серебряных и золотых, началась во времена Владимира Святославовича после принятия им христианства. Во время татаро-монгольского ига отдельные русские княжества чеканили свои монеты, но одновременно имела и хождение татарская серебряная "теньге" (от нее и произошло название российских "денег"). Из слитков серебра в 13 в. рубились куски, получившие название "рублей". Лишь по реформе 1534 года в России началась чеканка общегосударственной монеты - серебряной "копейки", названной так потому, что на ней был отчеканен всадник с копьем. При Петре I появились новые серебряные номиналы - десять денег (5 копеек), гривенник - 10 копеек, полуполтинник (25 копеек) и полтинник (50 копеек). В 1704 впервые отчеканен серебряный рубль. С 1718 в России появились и золотые деньги (червонцы). Россия нового времени стала первой в мире страной с десятичной денежно-весовой системой, принятой впоследствии большинством стран.
Существовало два типа денежных систем, основанных на обращении металлических денег: биметаллизм, когда роль всеобщего эквивалента играют два металла: золото и серебро; монометаллизм, когда в роли всеобщего эквивалента и универсального соизмерителя выступает один металл.
Исторически известны три вида монометаллизма: медный (как в античном Риме в 5-3 вв. до н.э.); серебряный (так было в России в середине 19 в., в Китае Нового времени); золотой (например, в Великобритании и других развитых странах Западной Европы с 1870-1890-х до 1914).
Золотой монометаллизм до 1914 года существовал в форме "золотого стандарта", для которого были характерны свободная чеканка золотых монет, свободный обмен бумажных денег на золото и свободное движение золота между странами. Золотой стандарт рухнул во время первой мировой, когда все активно воюющие страны, нуждаясь в средствах для оплаты многочисленных военных заказов, интенсивно печатали бумажные деньги, не обеспеченные национальным золотым запасом.
В 1944 году в качестве единственной резервной валюты, поддерживающей стоимость золота, был объявлен доллар США. Распад золотодолларовой системы в 1960-70-е годы привел к практически полному прекращению использования денег из драгоценных металлов. Металлические деньги сохранились только как мелкие монеты.
Хотя в роли средства накопления бумажные деньги хуже полноценных металлических, но зато функцию меры стоимости они выполняют так же успешно, а в роли средств обращения и платежа бумажные деньги заметно удобнее.
Первые бумажные деньги появились в средневековом Китае, где они широко использовались с 11 по 14 вв. В Западной Европе бумажные деньги были изобретены заметно позже, чем в Китае. Характерно, что переход к бумажному денежному обращению примерно совпадает с формированием капиталистического строя.
Первоначально бумажные деньги выпускались коммерческими банками, их обеспечением был капитал банка. Однако уже в 18 в. банкноты стали выпускаться только государством. Постепенно они перестали обмениваться на золото, став обычными бумажными деньгами.
Банкноты, являясь чисто символическими деньгами, требуют для своего эффективного функционирования государственные гарантии.
Частные деньги полностью исчезли в 19 в.
Безналичные деньги. Во 2-й половине 20 в. начался новый этап эволюции денег - переход к безналичному денежному обращению. Сначала появились чековые вклады, потом - кредитные карточки.
Владелец чека хранит свои деньги в банке на текущем счете (депозите), посредством специальной квитанции из своей чековой книжки он может дать указание банку выплатить ту или иную сумму денег определенному лицу, предъявившему данный чек к оплате. Поскольку выдача денег по чеку обязательно требует передаточной подписи владельца чековой книжки, кража или потеря чековой книжки не наносит такого ущерба владельцу, как потеря наличных денег. В США более 90% сделок в долларовом выражении осуществляются именно с помощью чеков.
Упрощенной модификацией чека является кредитная карточка, которая позволяет не только тратить деньги в пределах суммы на счете владельца карточки, но и пользоваться кредитом. "Электронные деньги" (так называют кредитные карточки) для розничных покупателей впервые появились во Франции в 1970-х, сейчас они широко используются во всех развитых странах мира. Их использование получило наибольшее распространение в США, где оно стремительно растет.
Подавляющая доля современных денег вообще не имеет материальной формы - ни металлической, ни бумажной. Современные деньги эпохи НТР - это "электронные деньги", существующие исключительно в виде записи на счетах клиентов, занесенных в память банковских компьютеров. При оптовой торговле производится перевод определенной суммы со счета одной фирмы на счет другой. При розничной торговле покупатели чаще всего предъявляют кредитную карточку, при помощи которой опять-таки происходит перевод со счета покупателя на счет торговой организации. Поскольку "электронные деньги" нельзя взять в руки, то их не надо перевозить, их почти невозможно отнять во время обычной кражи или ограбления (если бандит забирает кредитную карточку, ее хозяин может быстро заблокировать свой счет).
Однако банки вынуждены постоянно защищать свои компьютеры от проникновения в них хакеров.
Современная денежная система. Денежная система - это исторически сложившаяся форма организации денежного обращения, закрепленная законодательно. Она содержит следующие элементы: денежную единицу; масштаб цен; виды государственных денежных знаков; порядок выпуска (эмиссии) денег; регламентацию безналичного оборота; государственные органы по регулированию денежного оборота. Например, в современной России официальной денежной единицей является рубль, выпуск других денежных единиц запрещен, официального соотношения между рублем и золотом (или другими драгоценными металлами) не установлено, а исключительное право выпуска наличных денег, организации и изъятия их из обращения на территории РФ принадлежит Центральному банку России.
Денежная единица - это установленный в законодательном порядке денежный знак (доллар, евро, рубль и т.д.), который служит для соизмерения и выражения цен всех товаров. Иногда она имеет золотое содержание, но следует заметить, что в современной экономике золотое содержание валюты чаще всего является номинальным, так как практически ни в одной стране мира деньги на золото непосредственно не размениваются.
Денежная единица, как правило, делится на мелкие кратные части. В большинстве стран установлена десятичная система деления 1:10:100 (1 долл. США равен 100 центам, 1 рубль - 100 копейкам и т.д.).
Масштаб цен означает, что цены всех товаров и услуг измеряются определенным количеством денежных единиц. Например, говорят: "в нашем магазине буханка хлеба стоит 10 рублей".
Денежное обращение состоит из движения наличных денег (в среднем в экономически развитых странах они составляют менее 15% от обращения) и безналичного оборота. Почти все деньги в современной экономике являются кредитными деньгами. Разменные монеты и казначейские билеты занимают в обращении малый удельный вес. Значительная (возможно даже, подавляющая) доля наличных денег вращается не в легальной, а в теневой экономике.
Кредитные деньги включают в себя:
Банкноты ( банковские билеты) являются основным элементом наличной денежной массы. Чеки и кредитные карточки - это главные средства безналичных расчетов.
Экономика, финансы и торговля - это области, целиком связанные с расчетами материальных ресурсов и живого труда.
На протяжении веков хозяева торговых заведений не могли с точностью определить собственные доходы.
Из-за халатности, неграмотности и лености счета их служащих, представляемые хозяевам данные оказывались неполными. Более того, ситуация открывала широчайшие возможности для хищений, особенно в тех случаях, когда товарооборот был большим, а продавцы или буфетчики расплачивались с покупателями из собственного кармана или из кассы. Именно в таком положении оказался хозяин маленького кафе в американском городе Дейтон, штат Огайо, Джеймс Ритти. Иммигрант из Эльзаса, отличавшийся немецкой аккуратностью, был удивлен тем, что, несмотря на большое число посетителей, совсем не получал прибыли. И начал подозревать, что причиной тому - слабость буфетчиков, не удерживающихся от соблазна запустить руку в открытый ящик с деньгами. Мелкое воровство, подрывавшее его дело, стало беспокоить Ритти так сильно, что он отправился на родину в Европу в надежде на исцеление. Однако "исцеление" неожиданно пришло раньше: на корабле во время плавания через океан. Прогуливаясь по судну, Ритти забрел в машинное отделение, где обратил внимание на устройство, автоматически отсчитывавшее каждый оборот двигательного вала. И ему пришла в голову мысль, что подобное же устройство может фиксировать каждую покупку в баре или кафе.
Ритти немедленно вернулся в Дейтон, где вместе с братом сконструировал простейший кассовый аппарат, запатентованный 4 ноября 1879 года. В первой модели каждая торговая операция фиксировалась на диске. Чуть позже появился специальный индикатор, позволявший и кассиру, и покупателю видеть стоимость покупки. Теперь, после того как индикатор показал сумму, которую продавец должен был положить в кассовый ящик, возможность что-либо утаить становился значительно меньше.
И новое изобретение получило название "неподкупного кассира Ритти".
Ритти не сомневался в правильности избранного пути и продолжал совершенствовать свое детище. Он же придумал приспособление, фиксировавшее каждую денежную операцию на бумажном рулоне. Теперь хозяин мог сверить сумму наличных в кассе с суммой, обозначенной на рулоне, и точно узнать, сколько было сделано покупок за день.
Ритти продал свой бизнес по производству кассовых аппаратов вместе с патентом за $1000.
Вклад следующего владельца патента состоял в автоматическом выдвижном ящичке с деньгами и колокольчике, звеневшем всякий раз, когда ящик открывался. Теперь, чтобы получить доступ к содержимому ящика, приходилось фиксировать каждую оплату товара. "Колокольчик звенит, значит, покупка сделана", говорили американцы. Большая заслуга в этом принадлежит Джону Паттерсону, который оказался не только одаренным инженером-изобретателем, но и разработчиком новой глобальной стратегии организации торговли. В 1884 г. Джон Х. Паттерсон основал компанию National Cash Register Company (NCR), которая выпустила первый полноценный механический кассовый аппарат.
Рис. 12.3. Кассовый аппарат
Спрос на кассовые аппараты возрастал не только в США, но и по всему миру. Паттерсон изобрел приспособление для отпечатывания чека покупателю. Более существенным были приспособления, позволяющие заведующему складом автоматически получать сведения об общем количестве проданных товаров, о товарах, проданных каждым продавцом, каждым отделом, обо всех произведенных торговых операциях. Получение этих данных вызвало революцию в сфере учета коммерческих операций.
Уже к 1911 году - было продано более 1 миллиона кассовых аппаратов NCR.
В Россию кассовые аппараты пришли уже в конце 19 века с крупными европейскими магазинами типа московского Мюра и Мэрилиза (нынешний московский ЦУМ).
Долгие годы типичным образом бухгалтера был старик из водевиля "Юбилей" А.П. Чехова, без конца пишущий свой отчет и щелкающий на счетах.
Затем счеты в бухгалтерии сменил механический арифмометр, который нужно было крутить за ручку (рис. 12.4). Он выполнял арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления.
Рис. 12.4. Механический арифмометр
Позднее арифмометр сменила грохочущая электромеханическая счетная машина, а затем - электронный калькулятор. Но все операции экономист и бухгалтер производили вручную. И лишь персональный компьютер позволил автоматизировать этот труд. С помощью специальных прикладных программ стало возможным ввести исходные данные и получить готовый результат.
Для развития этих отраслей решающую роль сыграли три важнейших изобретения: пластиковые карточки, банкомат и штрих-код.
Пластиковая Smart-карточка (рис. 12.5) со встроенным микропроцессором позволяет любому человеку в большинстве развитых стран обходиться без необходимости носить с собой наличные деньги. Она представляет собой пластиковый прямоугольник размером 85х54 мм. Информация хранится в энергонезависимой памяти (EEPROM). Встроенный микропроцессор обеспечивает защиту памяти от несанкционированного доступа.
Рис. 12.5. Пластиковые Smart-карточки
Кроме карточек со встроенным микропроцессором выпускается множество более простых карточек с магнитной полосой - карточки для телефонных разговоров, для проезда на метро и многие другие.
В мире существует несколько наиболее известных электронных платежных систем, таких как VISA, EuroCard/MasterCard.
Предшественниками современных карт были карточки, которые выпускали крупные американские отели, нефтяные компании и магазины в начале века. Эти товарные карточки имели два назначения - следить за счетом клиента и обеспечить механизм записи его покупок. Их появление было логическим продолжением оплаты в рассрочку.
Эра современной универсальной кредитной карты началась в 1949 году с образования Diners Club, которая становилась посредником между покупателем и фирмой, обеспечивая кредит одному и другому и беря плату за услуги. В 1958 году American Express, крупнейшая компания дорожных чеков, вышла на рынок универсальных кредитных карт.
Americard поменяла имя на VISA в 1976 году. Цель - международное признание. MasterCharge в 1980 году стала MasterCard.
В банке можно открыть счет и получить пластиковую карточку. Одновременно владельцу карточки сообщается пароль (PIN-код). Такую карточку невозможно подделать или снять с нее дубликат. Без знания PIN-кода нельзя провести операции дебетования, кредитования и просмотра баланса карты. Кроме того, если PIN-код был три раза подряд неправильно набран, то карточка блокируется: работать с ней становится невозможным. Для ее разблокирования необходимо внести код разблокирования - более длинный, чем PIN-код.
Микропроцессор карточки следит за целостностью данных в ней. Доступ к данным, содержащим платежный баланс, защищен специальным "ключом". Он назначается банком, выдавшем данную карточку. Поэтому Smart-карту можно безбоязненно повсюду возить с собой. При потере никто не сможет получить по ней деньги, так как пароль известен только владельцу, а неизрасходованные деньги остаются на счету банка и могут быть затем возвращены на счет клиента. Владелец карточки имеет два пароля: один для зачисления средств, а другой - для их списания. При проведении платежных операций с Smart-картой не требуется наличие связи между банком и банкоматом. В этом состоит их преимущество по сравнению с картами с магнитной полосой. Ведь при снятии денег с карты с магнитной полосой необходима предварительная проверка наличия данной суммы на счете в банке. С таким "электронным кошельком" можно идти в магазин. Прежде всего, нужно убедиться, что в этом магазине оплачивают товары по той платежной системе, например VISA, которой принадлежит данная карточка. Названия (логотипы) этих систем всегда вывешиваются на дверях магазина. Оплачивая покупку, нужно вставить свою пластиковую карточку в специальное считывающее устройство торгового терминала и ввести свой пароль. Происходит оплата покупки, и владелец карточки получает чек. При этом в кассе магазина не скапливаются крупные суммы наличных денег, что уменьшает опасность ограблений при инкассации.
Таким же образом можно получать зарплату, расплачиваться в ресторане, парикмахерской или на бензоколонке.
Недавно Smart-карты начали применять в аптеках для учета и безналичной оплаты всех льготных рецептов на лекарства. Это обеспечило абсолютную прозрачность всех механизмов льготного обслуживания и высококачественную статистику. Благодаря этой системе можно узнать о каждом больном: какие лекарства и как часто он получает; о враче - насколько верно и кому он назначает эти лекарства; об аптеке - какие лекарства через нее проходят, в каких формах и упаковках; о поликлинике - кого и как она обслуживает.
Получить наличные деньги по пластиковой карточке можно через банкомат - электронно-механическое устройство, работающее 24 часа в сутки (рис. 12.6), то есть в любом отделении банка в любое удобное для владельца карточки время. В банкомате можно также получить справку об остатке денег на счету и выписку о последних операциях. При выезде за рубеж можно взять с собой карточку с любой суммой и не вносить ее в таможенную декларацию. Можно по этой карточке во всем мире получать наличные деньги, оплачивать товары и услуги. При этом нет необходимости обменивать наличную валюту.
Рис. 12.6. Банкомат
В Москве пенсионерам и студентам бесплатно выдается "Социальная карта - Visa Electron", с помощью которой ее владельцы могут получать социальные льготы, предусмотренные Правительством Москвы.
На эту карту можно перечислять пенсию, стипендию и собственные свободные средства, и получать повышенные проценты на остаток средств на карте.
Оплачивая покупки в магазинах, аптеках и предприятиях сервиса по этой карте, можно получать скидки на товары и услуги.
С помощью социальной карты можно оплачивать жилищно-коммунальные услуги.
Даже потеряв карту, ее обладатель не теряет средства, так как Банк блокирует доступ к его счету. При получении карты необходимо записать ее номер (16 цифр, сгруппированных в виде 4-х групп по 4 цифры на лицевой стороне) и хранить эту запись дома на случай утери карты.
Нужно запомнить секретный (PIN-код), который обладатель карты получает в запечатанном конверте, и кодовое слово, указанное при открытии карты. Без них владелец не сможет снять деньги с карты или заблокировать ее в случае утери. На карте имеется цифровая фотография владельца.
Социальная карта обеспечивает бесплатный проезд в московском метро, на наземном общественном транспорте, в пригородных поездах московской железной дороги.
При посещении поликлиники социальная карта заменяет собой полис обязательного медицинского страхования (также представляющего собой пластиковую карту), поскольку все данные полиса медицинского страхования закодированы в ней.
"Социальная карта - Visa Electron" обеспечивает все преимущества, которые есть у владельцев карт Visa. Она принимается в более чем 30000 торговых точках России. Пользоваться этой картой удобно и более безопасно, чем наличными деньгами.
Технология пластиковых карт продолжает развиваться - появилась пластиковая смарт-карта с "дуальным интерфейсом", которая может работать не только традиционным контактным способом, но и бесконтактным, через радиоканал. Такую карточку не нужно вставлять в терминал, ее данные передаются "по воздуху", что ускоряет процесс обслуживания. Так, например, была предпринята попытка внедрить проход пассажиров в метро по контактным смарт-картам. Карту нужно было вставить в щель турникета, происходило считывание, а затем нужно было вынуть ее из турникета. При этом на проход каждого пассажира уходило 8 секунд. При использовании дуальных карт время прохода через турникет можно сократить до 0,1 секунды, т.е. в 80 раз.
Еще одна цифровая технология знакома каждому человеку: штриховой код (ШК) - последовательность черных и белых полос вместе с цифрами и буквами (рис. 12.7). Штриховой код печатается на простой бумаге или прямо на упаковке предмета, либо на самоклеющейся этикетке.
Рис. 12.7. Штрих-код. 1 - код страны; 2 - код изготовителя; 3 - код товара; 4 - контрольная цифра; 5 - знак товара, изготовленного по лицензии
Штриховое кодирование было изобретено молодым инженером Давидом Коллинзом. После окончания в 1950-х годах инженерного факультета Массачусетского технологического института он поступил работать на Пенсильванскую железную дорогу, где ему пришлось столкнуться с кропотливой работой - сортировкой вагонов. Чтобы упростить распознавание, инженер-изобретатель предложил записывать номера не только обычными цифрами, но и специальным кодом, который состоял из красных и синих полос, расположенных на стенке вагона в прямоугольнике длиной до полуметра. Это, в свою очередь, натолкнуло Коллинза на мысль, что придуманный штриховой код можно использовать не только на железной дороге. Он вспомнил, как 14-летним мальчиком подрабатывал по выходным на складе одного супермаркета. Сколько времени уходило на поиск нужного товара! Здесь именно и получил новое применение штриховой код в виде кода товара. Сегодня удается считывать код с помощью светового пятна диаметром всего в четверть миллиметра. Штриховой код позволяет считывать
`і в компьютере информацию о номере товара практически мгновенно и абсолютно точно (не более одной ошибки на 10 млн считываний).
Информация в символе штрихового кода определяется соотношением ширины штрихов и пробелов между ними. Высота не имеет информационного смысла и просто должна обеспечивать надежное считывание, то есть пересечение лучом сканера всех штрихов кода.
Штриховые коды по сравнению с магнитными и радиоизотопными обладают более высокой надежностью их считывания. Для этого применяются специальные самоконтролирующиеся и самокорректирующиеся коды. Такие коды обнаруживают ошибки и исправляют их, если число ошибочных знаков не превышает 65-70%. Они обеспечивают вероятность одной ошибки на 30 миллионов считанных знаков. Применение штриховых кодов очень просто и экономично. Ведь его присутствие или отсутствие видно сразу, а его нанесение даже на дешевые товары почти не сказывается на их себестоимости.
Для считывания ШК используются сканеры штриховых кодов. Они засвечивают код своим осветителем и считывают полученную картинку.
Ручной сканер имеет вид "пистолета" (рис. 12.8). Он вручную наводится на штриховой код, нанесенный на покупаемый товар, например лекарство. Считывание кода происходит при нажатии на курок этого "пистолета". Для стационарных сканеров, размещенных возле кассы, нужно поднести предмет с нанесенным носителем ШК (если это товар в упаковке, пластиковый или картонный пропуск либо промаркированная деталь) к сканеру или перемещать вдоль него. Сканер обнаруживает и считывает ШК, расшифровывает его и передает в компьютер.
Рис. 12.8. Ручные сканеры для считывания штрихового кода
С помощью штрихового кодирования ведут учет товаров в торговле, складской учет, доставку почты, учет прохождения посетителей (имеющих пропуска, промаркированные ШК, в помещения, оборудованные сканерами ШК), учет лекарств в аптеках и больницах, учет движения книг в библиотеках и даже контроль соблюдения технологических процессов на производстве (например автомобилей и компьютеров).
Вспомним, как велась торговля в продовольственном магазине в советское время. Сначала мы стояли в очереди, предположим, в колбасный отдел. Просили 200-300 г колбасы. Продавщица взвешивала товар, заворачивала его в бумагу и объявляла цену взвешенного товара. После этого мы становились в очередь в кассу и "выбивали" чек на объявленную цену. И так для каждого отдела. И только после предъявления чека продавщица отдавала нам купленный товар. Сплошное стояние в очередях.
Сравним это с посещением современного супермаркета. Все товары заранее взвешены, упакованы, на них наклеены штриховые коды. Мы идем вдоль полок с товарами, берем в коляски и проволочные сумки выбранные товары и становимся в единственную очередь к кассиру-оператору. Он, не глядя, подносит каждый товар штрих-кодом к считывателю и называет общую сумму всех сделанных нами покупок. Все это экономит массу времени и нам, и кассиру.
В начале 1990-х годов зародился отечественный рынок бухгалтерских и экономических программ.
К настоящему времени этот рынок уже сложился. Созданы программы универсальные и специализированные, с учетом работы в бюджетных и коммерческих организациях, для малых, средних и крупных предприятий.
Одним из ведущих отечественных производителей таких программных продуктов является фирма "1С", существующая с 1991 года. Этой фирмой разработан и продается комплекс программ 1С: Предприятие - готовое решение для пользователя, гибкий инструмент для специалиста. В него входят комплекты программ 1С: Бухгалтерия, Торговля и Склад (Оперативный торговый учет), Зарплата и Кадры (Расчет заработной платы и кадровый учет), Налогоплательщик, Аспект, Компактная торговая система, Платежные документы, Деньги.
Этот комплекс программ позволяет автоматизировать основные расчеты экономиста и бухгалтера.
Непременной принадлежностью любого магазина с давних времен был кассовый аппарат - металлический красавец с клавишами на выпуклой "груди" и ручкой сбоку. С его помощью кассир набирал полученную от покупателя сумму денег и, покрутив ручку, с шумом "выбивал" на бумажной ленте чек с указанием этой суммы. Кассовый аппарат - неотъемлемая часть любой покупки, от коробки спичек до автомобиля.
В наши дни существуют самые различные кассовые аппараты: от простых - автономных до компьютерных терминалов.
Небольшие автономные аппараты не имеют возможности обмениваться данными с персональным компьютером. Их обычно устанавливают в мелких торговых точках, имеющих небольшой товарооборот. Они способны только "выбивать" чеки и не обеспечивают учет товаров и подключение различного торгового оборудования, например, сканеров штрих-кода или электронных весов.
Более сложные пассивные системные кассовые аппараты могут подключаться к компьютеру для передачи информации о совершенных продажах. При отсутствии компьютера их можно использовать как автономные. Такие аппараты достаточно простые в работе и дешевые, встречаются наиболее часто.
Наиболее сложные активные системные кассовые аппараты представляют собой входное устройство - терминал компьютера, на котором установлена кассовая программа.
Эта программа имеет средства обмена данными для работы в составе систем автоматизации торгового процесса.
Кассовая программа предоставляет информацию в удобном для кассира виде. Это снижает число ошибочно пробитых чеков и ускоряет обслуживание покупателей. К такому кассовому терминалу можно подключать сканер штрих-кодов или электронные весы. Внутренняя память таких терминалов позволяет хранить целые справочники товаров и цен. И, наконец, все терминалы одного магазина или супермаркета позволяют объединить их в сеть, образующую целую торговую систему.
Обороты электронной коммерции сегодня исчисляются миллиардами долларов в год. А через 5-7 лет, как прогнозируют, это будут уже десятки и даже сотни миллиардов. Но как это начиналось? Электронную коммерцию создали сами потребители. Происходило это так. Потребитель всегда стремится покупать дешевле, то есть прямо у производителя. А еще лучше - покупать, не выходя из дома. Можно увидеть новый товар по телевизору или в каталоге, тут же позвонить и заказать его.
А через Интернет сделать это еще проще. Это особенно важно, когда речь идет не о покупке обычного товара, а, скажем, о некой сделке, которую собираются заключить предприниматели из разных стран. Чтобы вести переговоры, нужно говорить на одном языке.
Конечно, многие бизнесмены разных стран владеют английским. Но этого недостаточно, так как, чтобы договориться по телефону, надо говорить бегло и легко понимать собеседника. Вот это препятствие и устраняют контакты через Интернет, ведь написанное на экране компьютера можно перечитать несколько раз.
Юриспруденция
До недавних пор единственным способом получить информацию по правовым вопросам была только консультация юриста. А сегодня такая информация необходима каждому, и работающему и пенсионеру: как отстоять свои права потребителя при покупке недвижимости, автомобиля, перед администрацией своего завода или фирмы, при оформлении или перерасчете пенсии.
В наше время для этого созданы правовые информационно-справочные системы.
Федеральное собрание, президент, правительство, министерства и самые различные ведомства разрабатывают и принимают новые законы, указы и постановления. Уследить за потоком этой правовой информации не может не только рядовой гражданин, но и опытный юрист. Вот тут-то и приходят на помощь правовые электронные информационно-справочные системы.
Первые такие системы были созданы в странах Запада во второй половине 1960-х годов. В 1967 году в Бельгии была разработана и начала функционировать электронная картотека CREDOC. Она содержала документы внутреннего и международного права. Для того чтобы получить из нее сведения, нужно было обратиться в информационное бюро, из которого ответ можно было получить только через несколько дней (от 2 до 8).
В том же 1967 году в США была начата разработка одной из самых известных справочных правовых систем LEXIS-NEXIS. Она позволяет работать с полными текстами правовых документов.
В настоящее время, после появления персональных компьютеров, во многих странах (США, Великобритании, Германии, Франции, Италии, Финляндии и др.) произошло широкое распространение правовых справочных систем. Их теперь насчитывается около ста.
В нашей стране работы в этой области были начаты в 1975 году. Первая справочно-правовая система ЮСИС появилась в 1989 году. В 1990 году была создана система "Гарант", а в 1992 году - система "КонсультантПлюс".
Сегодня в нашей стране существует целый ряд правовых справочных систем: "Кодекс", "Референт", "Юридический мир", "Ваше право", "Юристконсульт", "Законодательство России".
Однако самыми крупными являются "Гарант" и "КонсультантПлюс". Эти две фирмы создали разветвленную сеть своих информационных центров в различных регионах России.
Они отличаются друг от друга методом размещения новых правовых документов.
Так, в "Гаранте" при появлении новой редакции документа старый вариант заменяется новым, а в его тексте делается гиперссылка на предыдущую редакцию. Таким образом, пользователь системы "Гарант" всегда работает с самым "свежим" законодательством.
В системе "КонсультантПлюс" новые редакции встраивают в старые документы и вводят комментарии ко всем изменениям. Время от времени давно устаревшие документы удаляют. Новые версии "Консультанта" можно пополнять с дискет или по электронной почте, заключив договор с сервисным центром.
Обе системы отличаются друг от друга по содержанию и классификации.
В "Гаранте" тематика законодательства делится по отраслям - на гражданское, уголовное, административное, земельное, банковское, таможенное. В нем также содержится законодательство 50 регионов России.
В "Консультанте" базы делятся на федеральную, региональную и консультационную (по вопросам бухучета, финансов и банковского дела).
В "Гаранте" больше информации по международному праву, а в "Консультанте" - по региональному законодательству. В обеих системах созданы обширные консультационные базы.
Информационные ресурсы "Гаранта" - более 700.000 документов, в том числе более 20 специализированных правовых блоков по всем разделам федерального законодательства и более 40 правовых блоков по законодательству субъектов Федерации.
С "Гарантом" постоянно сотрудничают более 190 органов власти и управления федерального и регионального уровней. Среди них - Государственная Дума Российской Федерации, Администрация Президента Российской Федерации, Министерство финансов Российской Федерации, Центральный Банк Российской Федерации, Высший Арбитражный Суд Российской Федерации, мэрии Москвы и других городов России.
Сеть компании "КонсультантПлюс" насчитывает 300 региональных информационных центров (РИЦ), расположенных в 150 городах России. К настоящему времени у пользователей установлено и сопровождается 342 500 экземпляров систем семейства "КонсультантПлюс". К услугам пользователей - базы данных нормативных документов федерального законодательства и аналитические системы поддержки принятия решений. Кроме того, в 77 субъектах РФ силами РИЦ Сети "КонсультантПлюс" ведутся базы данных по региональному законодательству.
С системой "КонсультантПлюс" работают в Администрации Президента РФ, в Правительстве РФ, в Государственной Думе, в министерствах и ведомствах, в сотнях налоговых инспекций и таможенных постов, в вузах и банках, на предприятиях всех форм собственности и направлений деятельности по всей России.
Программные продукты "КонсультантПлюс" отличаются высокой эффективностью и качеством. Так, системы "КонсультантПлюс" были первыми среди справочных правовых систем, сертифицированных Microsoft на совместимость с Windows NT/95/98, XP.
Cистемы "КонсультантПлюс" могут эффективно работать на любом компьютере, любой программной платформе и в сетях любой конфигурации. Существуют DOS-версии систем, 16-разрядные Windows-версии, 32-разрядные версии для Windows 95/98, Windows NT и Intranet-версии.
Высокоэффективная технология "КонсультантПлюс" позволяет на сегодня передавать пользователям ежемесячно порядка 8000 документов. При этом пропускная мощность систем может достигать 20000-25000 документов в месяц. Всего в системы "КонсультантПлюс" входит 681 315 документов. На сегодняшний день это крупнейший информационный банк, который может быть передан пользователю.
Новые нормативные акты включаются в системы ежедневно, в течение нескольких дней с момента их подписания органами власти и управления РФ, поэтому пользователи могут ежедневно получать самую свежую и достоверную информацию о состоянии российского законодательства.
Большинство документов компания получает еще до даты их официальной публикации непосредственно из официальной рассылки выпустивших их ведомств, с которыми АО "КонсультантПлюс" связывают прямые договоры о сотрудничестве в области правовой информатизации.
В настоящее время такие договоры заключены с Администрацией Президента РФ, Аппаратом Правительства РФ, Аппаратом Совета Федерации Федерального Собрания РФ, Аппаратом Государственной Думы Федерального Собрания РФ, десятками министерств и ведомств Российской Федерации. Всего заключено более 60 договоров (не считая нескольких сотен договоров, подписанных на региональном уровне).
Многие справочно-правовые системы представлены в Интернете.
С системами "Гарант" и "КонсультантПлюс" можно более подробно ознакомиться по адресам http://www.garant.ru и http://www.consultant.ru.
Криптография
Криптография - это наука о том, как обеспечить секретность сообщения, а криптоанализ - это наука о том, как вскрыть шифрованное сообщение, то есть как извлечь открытый текст, не зная ключа. Криптографией занимаются криптографы, а криптоанализом занимаются криптоаналитики.
Тайная передача сообщений, незаметная для окружающих непосвященных лиц, существует с древних времен. Примером может служить язык жестов, широко используемый фокусниками и карточными шулерами. С помощью таких тайных жестов ассистент подсказывает фокуснику во время сеанса на глазах у зрителей, а пара шулеров подсказывают друг другу ходы во время игры на глазах ничего не подозревающих партнеров.
Экзотический метод использовался американцами во время второй мировой войны: корабли ВМФ США осуществляли связь на языке малочисленного и компактно проживающего индейского племени. На каждом корабле было несколько индейцев-"шифровальщиков", а у противника не было практически никаких шансов раздобыть себе такого "криптографа".
Криптография в прошлом использовалась лишь в военных целях. Однако сейчас, с становлением информационного общества, она становится центральным инструментом для обеспечения конфиденциальности.
Криптография занимается всеми видами секретного обмена сообщениями, включая тайную переписку, аутентификацию (установление подлинности, от греч. authentikos - подлинный), цифровые подписи, электронные деньги и многое другое.
Для письменных сообщений криптография - это тайнопись, система изменения письма с целью сделать текст непонятным для непосвященных лиц.
С возникновением письменности задача обеспечения секретности и подлинности передаваемых сообщений стала особенно важной. Ведь сообщение, переданное словесно или показанное жестами, доступно для постороннего только в момент передачи, а в его авторстве и подлинности у получателя никаких сомнений не возникает, потому что он видит своего собеседника. Когда же сообщение записано на бумаге, оно уже живет отдельной жизнью и существует в материальном мире гораздо более длительный промежуток времени.
И у людей, желающих ознакомиться с его содержанием против воли отправителя и получателя, появляется гораздо больше возможностей сделать это. Поэтому после возникновения письменности появилось искусство тайнописи, искусство "тайно писать" - набор методов, предназначенных для секретной передачи записанных сообщений от одного человека другому.
В истории человечества насчитывается большое число способов секретного письма, многие из которых были известны еще в древности.
В некоторых способах тайного письма используются физические особенности носителей информации. Так, например, симпатические чернила исчезают вскоре после написания ими текста или невидимы с самого начала. Но их можно снова сделать видимыми, обработав документ специальным химическим реактивом или осветив лучами определенной части спектра, обычно - ультрафиолетом. Метод стеганографии заключается в том, что передаваемый текст "растворяется" в сообщении большего размера с совершенно "посторонним" смыслом. Но если взять и извлечь из него некоторые символы по определенному закону, например - каждый второй, или третий, и т.д., получается конкретное тайное сообщение.
Стеганография бывает полезна, когда необходимо не просто передать секретное сообщение, а секретно передать секретное сообщение, то есть скрыть сам факт его передачи.
Суть шифрования - не скрывать сам факт передачи сообщения, но сделать его недоступным посторонним. Для этого сообщение должно быть записано так, чтобы с его содержимым не мог ознакомиться никто, за исключением самих корреспондентов. Шифрование является преобразованием сообщения по определенным правилам, что делает его бессмысленным набором знаков для непосвященного в тайну шифра человека. Предполагается, что тайнопись была известна в древнем Египте и Вавилоне. Искусство секретного письма использовалось в древней Греции. Первые действительно достоверные сведения с описанием метода шифрования относятся к древнему Риму. Они описывают шифр Цезаря - способ, которым Юлий Цезарь прятал свои записи от излишне любопытных глаз.
Шифр Цезаря был предельно прост: в нем каждая буква сообщения заменялась на следующую за ней по алфавиту. Однако для того времени, когда умение читать и писать было редким исключением, применение даже такого простого шифра решало проблему секретности передаваемого сообщения.
Чем оживленнее велась переписка в обществе, тем большая ощущалась потребность в средствах ее засекречивания. Соответственно, возникали все более совершенные и хитроумные шифры. Сначала при заинтересованных лицах появились шифровальщики, потом группы из нескольких шифровальщиков, а затем и целые шифровальные отделы. Шифрование сначала осуществлялось вручную, позднее были изобретены сравнительно несложные механические приспособления, поэтому использовавшиеся тогда шифры были достаточно простыми и несложными.
Когда объемы подлежащей закрытию информации стали критическими, в помощь людям были созданы более сложные механические устройства для шифрования, например, немецкая шифровальная машина Энигма. Основными потребителями криптографических услуг были дипломатические и шпионские миссии, тайные канцелярии правителей и штабы войсковых соединений и флотов, военные корабли. Так, все немецкие подводные лодки были оснащены шифровальными машинами "Энигма". Английская шифровальная служба сумела получить образец машины "Энигма" с затонувшей немецкой подводной лодки. Английским криптоаналитикам удалось взломать немецкие коды, в результате чего они могли читать немецкие секретные депеши.
С возникновением компьютеров и проникновением их в различные сферы жизни возникла принципиально новая отрасль хозяйства - информационная индустрия. После распространения компьютеров в деловой сфере практическая криптография сделала в своем развитии огромный скачок:
были разработаны стойкие шифры с секретным ключом, предназначенные для обеспечения секретности и целостности передаваемых или хранимых данных;были созданы методы решения новых, нетрадиционных задач сферы защиты информации, наиболее известными из которых являются задачи подписи цифрового документа и открытого распределения ключей.
Машиностроение и металлообработка
Если раньше каждый пользователь должен был сам программировать алгоритмы в своей профессиональной деятельности, то сегодня "кустарное" программирование стало ненужным. Его заменяет знание и умение пользоваться существующими информационными технологиями в каждой профессиональной области. И это в первую очередь касается специалистов в области машиностроения и металлообработки. В ней созданы системы автоматического проектирования, такие, как AutoCAD, КОМПАС-3D, системы автоматизированного проектирования технологических процессов (CAM), технологии обеспечения жизненного цикла изделия от маркетинга до утилизации отслужившего свой срок изделия или детали (CALS).
До изобретения компьютеров все проектирование новых изделий велось по так называемой бумажной технологии. Любое конструкторское бюро представляло собой зал с рядами чертежных столов - кульманов, за которыми конструкторы разрабатывали чертежи нового изделия на бумаге. Далее эти чертежи копировали на кальку и затем размножали их. Вся документация хранилась на бумаге. Все инженерные расчеты производились с помощью арифмометров и логарифмических линеек. При изготовлении опытных образцов изделий и их серийном производстве наладка станков производилась вручную. Далее производились натурные испытания изготовленных опытных образцов. По их результатам вносились необходимые изменения в конструкцию, корректировались чертежи и начиналась подготовка к серийному выпуску изделия.
С изобретением компьютеров многие этапы создания новых изделий подверглись коренным изменениям. Стало возможным перейти на безбумажную технологию. Компьютер, оснащенный соответствующими программами, совместно с принтером, плоттером и графическим планшетом (дигитайзером) заменил собой кульман, бумагу, карандаш, арифмометр и логарифмическую линейку. При этом компьютер позволил автоматизировать и значительно ускорить инженерные расчеты.
Примером может служить автоматизированный расчет зубчатой передачи с помощью программы Microsoft Excel. Исходными данными служат передаточное число и модуль данной передачи. Формулы расчета вводятся в соответствующую строку таблицы Excel. Введя в формулы значения передаточного числа и модуля, получаем полный расчет всех параметров зубчатой передачи любого типа.
Другим, гораздо более сложным примером может служить расчет лопаток паровой турбины, требующий привлечения компьютеров большой производительности.
Использование современных компьютерных технологий позволяет существенно сократить длительность проектно-конструкторских работ, по-новому реализовать проектные процедуры и в результате получить более эффективные технические решения.
Аппаратное обеспечение автоматизированных рабочих мест (АРМ) для работников самых различных профессий мало отличается друг от друга. Его основой является профессиональный компьютер. Главное различие состоит в их программном обеспечении, которое и отличает, например, АРМ инженера-проектировщика от АРМ инженера-технолога.
Новейшие компьютерные технологии позволяют организовать автоматизированное рабочее место конструктора-проектировщика. Базовыми программными продуктами АРМ конструктора-проектировщика являются операционная система Microsoft Windows и универсальная графическая платформа AutoCAD 2004 фирмы Autodesk.
Системы автоматизированного проектирования (САПР), называемые в английском переводе CAD-системами (Computer Aided Design), применяются для решения разнообразных инженерных и конструкторских задач. К наиболее популярным следует отнести мощную систему машинного проектирования AutoCAD фирмы Autodesk, используемую для создания чертежей.
Применение САПР-технологий позволяет сократить время на выполнение проекта и выпуск изделий, уменьшить возможные ошибки, повысить качество конструкторской документации, а при использовании программно-управляемого оборудования - готовить необходимые для этого данные в нужном формате. Полный спектр задач, решаемых с помощью САПР, чрезвычайно богат, и программ, предназначенных для этого, разработано достаточно много.
Для эффективной работы с программами САПР лучше применять монитор с большим размером экрана. Для получения твердой копии результатов работы (чертежи, схемы) обычно используются плоттеры, позволяющие работать с большими форматами бумаги.
AutoCAD - это графическое ядро систем автоматизированного проектирования (САПР). Богатые функциональные возможности, широкие возможности программирования, связь с базами данных, большой выбор совместимых периферийных графических устройств фактически сделали графический пакет AutoCAD мировым промышленным стандартом в своей области. Выпускаются версии программы для различных платформ и под различные операционные системы. Программа совместима со всеми выпускаемыми видами принтеров и плоттеров.
При создании новых инженерных конструкций может применяться математическое моделирование (машинный эксперимент) - моделирование реально существующих объектов, осуществляемое средствами языка математики и логики с помощью компьютера.
Математическое моделирование основано на создании и исследовании на компьютере математической модели реальной системы - совокупности математических соотношений (уравнений), описывающих эту систему. Уравнения (математическая модель) вместе с программой их решения вводят в компьютер и, имитируя различные значения входных (по отношению к исследуемой системе) сигналов и условий работы системы, определяют величины, характеризующие поведение системы.
Математическое моделирование, в отличие от материального (экспериментального, предметного), является теоретическим, происходящим только в компьютере, а не в реальности. Оно позволяет обойтись без сложного, дорогого или опасного эксперимента, например при создании автомобилей, самолетов, локомотивов.
Математическое моделирование процесса или явления не может дать полного знания о нем. Это особенно существенно в том случае, когда предметом математического моделирования являются сложные системы, поведение которых зависит от значительного числа взаимосвязанных факторов различной природы. Поэтому иногда математическое моделирование дополняют созданием натуральной модели.
Система трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-3D предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства. Задача, решаемая системой, - моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство. Чертежный редактор "КОМПАС-График" предоставляет широчайшие возможности автоматизации проектно-конструкторских работ в различных отраслях промышленности. Он успешно используется в машиностроительном проектировании, при проектно-строительных работах, составлении различных планов и схем.
На смену информационной поддержке отдельных этапов создания инженерных конструкций в конце 20-го века пришла идеология ведения бизнеса CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) или, в более современном изложении, PLM (Product Lifecycle Management). За термином "жизненный цикл" ("Lifecycle") стоят два понятия - "маркетинговый жизненный цикл" (МЖЦ) и "функциональный жизненный цикл" (ФЖЦ). МЖЦ имеет отношение к поведению определенного вида продукции на рынке и завершается моральным износом и снятием с производства, а ФЖЦ связан с функциональным предназначением изделия и завершается физическим износом и утилизацией. Примером могут служить персональные компьютеры. Маркетинговый жизненный цикл систем на базе Pentium II закончился, но физически их успешно продолжают эксплуатировать во многих организациях.
Понятие "жизненный цикл" включает в себя следующие этапы: маркетинг, проектирование, производство, продажи, поставки и эксплуатацию. Примером применения понятия "жизненного цикла" в нашей стране может служить его использование в крупнейшем авиастроительном комплексе "Сухой". Он охватывает четыре основных этапа: проектирование, производство, послепродажное обслуживание и утилизация.
Рис. 12.11. Структура концепции CALS
Сегодня производство сложных машинотехнических изделий стало невозможным без обеспечения информационной поддержки на всех стадиях их жизненного цикла. Информационная поддержка - это целый комплекс вопросов, включающий автоматизацию процессов проектирования, обеспечение технологических процессов производства, автоматизацию управленческой деятельности предприятий, создание электронной эксплуатационной документации, внедрение автоматизированных систем заказа запасных частей и т. д.
Важную роль в жизненном цикле играет маркетинг (англ. marketing, от market - рынок) - система управления, основанная на комплексном анализе производственно-сбытовой деятельности и воздействия на нее с целью получения прибыли.
Маркетинг возник как вид управленческой деятельности во второй половине XX века. Но если вначале он применялся исключительно в целях сбыта произведенной продукции, то со второй половины 1970-х гг. он становится элементом стратегического управления фирмой, философией бизнеса. Отсюда новая концепция маркетинг-менеджмента, то есть построения всей управленческой деятельности фирмы.
Маркетинг включает товарную, ценовую политику, а также политику продвижения товара и продаж.
Основными принципами современного маркетинга являются: производство продукции, основанное на точном знании потребностей покупателя, рыночной ситуации и реальных возможностей фирмы; эффективное решение проблем потребителя; нацеленность фирмы на долгосрочный коммерческий успех; активное воздействие на формирование потребностей на рынке.
Проектирование и производство неразрывно связаны между собой. Конструктор разрабатывает геометрию изделия, устанавливает технические требования и оформляет конструкторскую документацию, а технолог обеспечивает изготовление изделия с учетом специфики производства, технических процессов и оборудования.
Электронное описание изделия дает исчерпывающее описание спроектированного изделия и фактически заменяет бумажную конструкторскую документацию. На его основе появляется возможность автоматизировать планирование технологических процессов. Таким образом, выполняется еще один принцип CALS - принцип безбумажного представления информации.
В фирме "Сухой" ОКБ "Сухой" находится в Москве, а основные заводы-производители в Комсомольске-на-Амуре, Иркутске и Новосибирске. При такой географической удаленности друг от друга их согласованная работа обеспечивается средствами сети Интернет и защиты информации.
Организация технологического процесса изготовления опытных образцов и серийного производства изделий осуществляется с помощью систем автоматизированного проектирования технологических процессов, так называемых САМ-систем (Computer Aided Manufacturing). Они обеспечивают наиболее рациональный выбор станочного оборудования, инструментов и режимов обработки деталей.
Комплексные решения при этом базируются на передовых технологиях гибридного моделирования, интегрированных средствах электронного документооборота, а также на широком спектре специализированных модулей, среди которых важное место занимают программы для виртуального моделирования процессов механической и электроэррозионной обработки с выходом на станки с числовым программным управлением (ЧПУ).
Современные металлообрабатывающие станки и многооперационные обрабатывающие центры оснащены числовым программным управлением (ЧПУ). Это управление обработкой заготовки на станке по программе, заданной в цифровой форме. Устройство ЧПУ выдает управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с программой и информацией о состоянии управляемого объекта. Станки с ЧПУ сочетают высокую производительность, присущую станкам-автоматам, с гибкостью, быстротой переналаживания на другие режимы работы, что характерно для универсальных станков. Обрабатывающий центр оснащен инструментальным магазином большой емкости и устройствами для автоматической смены инструмента. Станок позволяет вести комплексную механическую обработку большого числа поверхностей заготовки различными способами - точением, фрезерованием, сверлением и др.
В современном машиностроении и приборостроении происходит усложнение выпускаемой продукции, номенклатура ее увеличивается, а серийность производства уменьшается. Это ведет к значительному увеличению объемов и сроков выполнения работ в сфере конструкторско-технологической подготовки производства. Требования рыночной экономики заставляют предприятия постоянно улучшать потребительские свойства и качество изделий, а сроки их выпуска максимально сокращать.
Это вызвало к жизни концепцию сквозного цикла проектирования и производства "от идеи до металла". Суть ее состоит в том, что компьютерные системы и оборудование должны рассматриваться как единый информационный технологический процесс на всем протяжении от проектирования до изготовления изделий. Сквозной цикл состоит из блоков САD/САМ/САЕ/PDM. САМ-системы являются частью этой более общей концепции.
Кроме трехмерных (виртуальных) моделей на экране монитора компьютера современные информационные и лазерные технологии дают возможность создавать "твердые" модели отдельных деталей из светочувствительного пластика. Эта технология носит название "лазерная стереолитография". Она основана на использовании фотополимеризации лазерным излучением.
Сначала по проекту конструктора создается компьютерная (виртуальная) модель, которая через минимальное время может быть воплощена в виде реальной модели. Производятся все детали для сборки. Собранную модель можно покрасить, проверить возможность установки и размещения электронных компонентов, оптики, эргономику, предъявить для утвержения дизайна заказчиком и т.д.
Пластиковая модель легко поддается обработке, покраске, металлизации. Модель может быть использована для проверки идей конструктора, использоваться на презентациях, в маркетинговых акциях и т.п.
Области применения лазерной стереолитографии:
изготовление оснастки для разных видов литья;точное литье по сплошным выжигаемым моделям.
Лазерная стереолитография позволяет создавать детали самой сложной формы с максимальными размерами 250x250x250 мм.
Сначала объемный виртуальный образ делят на набор послойных изображений тонких сечений (0,1-0,2 мм). В ванну, наполненную фотополимеризующейся жидкостью, помещают плоскую подставку, на которой впоследствии появится объект, так, чтобы она была погружена на толщину формируемого слоя (те самые 0,1-0,2 мм). Затем поверхность жидкости обрабатывают лучом лазера, и в тех местах, которые он облучает, образуются твердые участки. Так возникает нижний слой модели. Платформу чуть притапливают и формируют второй слой. Операцию повторяют до тех пор, пока модель не будет целиком готова.
Важную роль в машиностроении играет логистика (от англ. logistics - материально-техническое снабжение) - контроль за всеми видами деятельности, связанными с закупкой ресурсов для производства и доставкой готовой продукции покупателю, включая необходимое информационное обеспечение этих процессов. Логистика также координирует взаимоотношения всех членов системы снабжения и распределения. К непосредственным функциям логистики относятся: транспортировка, складирование, сбор заказов, распределение продукции, упаковка, сервисное обслуживание.
Система логистики включает логистику на входе и логистику на выходе. Первая управляет всеми операциями с сырьем и материалами, начиная с выбора поставщика и заканчивая возвратом некачественного сырья; вторая контролирует распределение готовой продукции, включая ее доставку конечному потребителю.
Логистика используется участниками каналов товародвижения для снижения издержек, повышения качества обслуживания покупателей и поддержания объема запасов на складе на минимальном необходимом уровне.
Так информационные технологии в машиностроении и металлообработке из важного, но вспомогательного средства сегодня превратились в главную организующую силу - реальную сквозную автоматизацию производственных процессов.
<
Медицина
Долгие века врач для определения причины болезни мог доверять только своим рукам, глазам и ушам, своим чувствам, с помощью которых он обследовал больного. Первыми приборами, которые стали помогать врачу при осмотре, были стеклянный ртутный термометр для определения температуры тела, секундомер для подсчета пульса и деревянная слуховая трубка - стетоскоп - для прослушивания сердца, изобретенный французским врачом Рене Ланно в 1819 году. Позднее стетоскоп сменил фонендоскоп с чувствительной мембраной, камера под которой соединена с двумя гибкими трубками. Затем ко всему этому прибавились химические анализы состава крови и мочи.
В 1860 году итальянский врач Ривароччи придумал простой и удобный метод измерения артериального давления. Он основан на измерении внешнего давления, которое нужно для полного пережатия артерии. Для этого накладывают на руку выше локтя полую резиновую манжету и соединяют ее с резиновой грушей и манометром (ртутным или стрелочным). С помощью груши закачивают в манжету воздух и одновременно следят за пульсом на артерии предплечья (у локтевого сгиба) и за показаниями манометра. Давление воздуха увеличивают до тех пор, пока не исчезнет пульс, то есть пока не будет полностью пережата артерия. Измеренное в этот момент давление воздуха в манжете соответствует систолическому давлению. В 1905 году русский врач Н.С. Коротков усовершенствовал метод Ривароччи. Он предложил прослушивать пульс фонендоскопом. Это позволило измерять не только систолическое, но и диастолическое давление крови (то есть, соответственно, при сокращении и расслаблении сердечной мышцы). Современные автоматические цифровые тонометры (рис. 12.1) оснащены миниатюрным воздушным насосом и датчиком давления в манжете. Резиновая груша и фонендоскоп при измерении давления таким аппаратом не нужны. Надо только надеть манжету и нажать на кнопку аппарата. Он проделает весь цикл измерения и покажет цифрами на дисплее величины систолического (верхнего), диастолического (нижнего) давления и пульса.
Выпускаются даже тонометры, манжета которых надевается на запястье или на палец, но они, хотя и удобнее, не дают такой же точности измерения.
Рис. 12.1. Цифровой тонометр
Открытие Вильгельмом Рентгеном (1845-1923) Х-лучей, названных его именем, дало врачам возможность "заглянуть" внутрь тела человека, не повредив его. Рентгеновское обследование позволило увидеть теневое изображение костей и внутренних органов. Появление рентгеновского аппарата вызвало к жизни новую область медицины - рентгенологию, изучающую применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем организма человека. В нее вошли рентгенодиагностика - для установления диагноза заболевания и рентгенотерапия - для лечения. Стал широко применяться такой метод рентгенодиагностики как флюорография: фотографирование теневого изображения с просвечивающего экрана на фотопленку небольших размеров для выявления заболеваний легких при массовых обследованиях. При флюорографии человек получает значительно меньшую дозу облучения, чем при рентгеноскопии (осмотре больного под рентгеновскими лучами) и при рентгенографии (получении рентгеновских снимков).
С середины XX века начали применять электрокардиографию - метод исследования сердечной мышцы, основанный на регистрации биоэлектрических потенциалов работающего сердца. Записанная на движущейся бумажной ленте или фотопленке прибора - электрокардиографа кривая - электрокардиограмма (ЭКГ) используется для диагностики заболеваний сердца.
Сокращению сердечной мышцы предшествует ее возбуждение, во время которого меняются физико-химические свойства мышечного волокна сердца - миокарда. Это сопровождается появлением электрического тока, который может быть зарегистрирован. Разные отделы сердца (предсердия и желудочки) сокращаются и расслабляются последовательно в разное время. Поэтому биоэлектрические явления, обусловленные их деятельностью, также регистрируются последовательно.
В наше время электрокардиография остается одним из основных методов исследования сердца и диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы.
Однако для грамотной расшифровки электрокардиограммы необходимо знание природы кардиографической кривой, поэтому расшифровку следует проводить только специалистам с опытом подобной работы. В последние годы нашла применение компьютерная электрокардиография, в которой расшифровка электрокардиограммы (ЭКГ) осуществляется компьютером.
Для постоянного наблюдения (так называемого мониторинга) за состоянием сердечно-сосудистой системы выпускаются суточные мониторы артериального давления и ЭКГ (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Суточный монитор артериального давления и ЭКГ
Для исследования биоэлектрической активности головного мозга применяется электроэнцефалография: графическая регистрация потенциалов головного мозга прибором - электроэнцефалографом. Записываемая при этом кривая - электроэнцефалограмма - используется в исследовательских и диагностических целях.
Все более широкое применение в медицине находит ультразвуковая диагностика - использование ультразвуковых колебаний для распознавания заболеваний мозга (эхоэнцефалография), сердца (эхокардиография), исследования плода и т. д. Такая диагностика основана на свойстве ультразвуковых волн отражаться от границ, разделяющих среды. Это позволяет видеть контуры внутренних органов и различать образования с различной плотностью.
Ультразвуковое исследование (УЗИ) применяется для диагностики заболеваний мозга (эхоэнцелография), сердца (эхокардиография), исследования плода и т.д.
Широко используется УЗИ для диагностики болезней органов брюшной полости, например, желчно-каменной болезни. А определение пола будущего ребенка с помощью ультразвука стало обыденной процедурой. Аппараты УЗИ есть даже на станциях московского метро.
"Заглянуть" в такие внутренние органы, как пищевод, желудок, мочевой пузырь, бронхи дает возможность эндоскоп. Это оптический прибор, который вводится внутрь исследуемого органа. Он представляет собой световод - тонкий гибкий пучок стеклянных волокон из специального оптического стекла.
Этот световод освещает внутреннюю поверхность органа и передает его изображение на экран телевизора или в фотокамеру.
В конце 1960-х годов начали использовать томографию (от греч. tomos - ломоть, слой и grapho - пишу), метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта, например мозга. Оно осуществляется с помощью многократного просвечивания в различных пересекающихся направлениях, число которых достигает 10-106 (так называемое сканирующее просвечивание). По виду излучения различают электромагнитную томографию (рентгеновскую, гамма-томографию и магнитную или ядерно-магнитно-резонансную (ЯМР), пучковую томографию (например, протонную), а также ультразвуковую и др. С помощью томографии получают изображения слоев толщиной до 2 мм. Обработку сигналов осуществляют на компьютере: это так называемая компьютерная томография. Томография используется в медицинской диагностике и других областях науки и техники. В медицине благодаря своей высокой точности наибольшее применение получила ядерно-магнитная томография (ЯМР), использующая диапазон сверхвысоких частот. Однако компьютерная и ядерно-магнитная томографи
`і я имеют побочные эффекты и применяются строго по показаниям.
Еще один метод томографии - магнитно-резонансный. Он позволяет сканировать любую часть тела в нужном направлении. Основная задача медиков при постановке диагноза - определить места уплотнений, разрежений, кровяных сгустков в ткани. Магнитно-резонансная томография позволяет это сделать. За ее разработку Пол Лотербур (США) получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2003 году. После математической обработки сигналы от магнитно-резонансного томографа превращаются в изображение на экране компьютера. Через несколько секунд врач может увидеть, как выглядит больной орган. Этот метод разработал второй нобелевский лауреат по физиологии и медицине в 2003 году Питер Мэнсфилд (Великобритания). С помощью магнитно-резонансной томографии можно с высокой вероятностью диагностировать злокачественные опухоли, воспалительные процессы, кисты, инсульты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, вывихи, переломы, смещение межпозвонковых дисков.
За последние годы значительно улучшилась техника и сократилось время получения четкого рентгеновского изображения. Этого удалось достичь благодаря использованию электронно-оптических усилителей и высокочувствительных датчиков. При компьютерной томографии излучатель движется вокруг биологического объекта, формируя множество отдельных рентгенограмм. Полученные изображения исследуемой области организма поступают в компьютер, где подвергаются обработке. В результате получается компьютеризированный срез человеческого тела с четкой прорисовкой всех деталей или стереоскопическое изображение исследуемой области.
До недавнего времени рентгеновские компьютерные томографы использовались только для исследования головного мозга. Это было связано с большим временем получения томограмм (4-6 мин) и с малым диаметром зоны томографирования (24 см). Незначительные естественные движения человека во время исследования (например, дыхание) приводили к значительным помехам в формировании изображения. В современных томографах время томографирования снижено до 1-3 с, а диаметр зоны исследования доведен до 70 см. Это позволило исследовать любую область человеческого тела и свести до минимума помехи от непроизвольных движений пациента.
Все эти современные методы позволили "заглянуть" в организм человека, не разрушая его. Для этого нет нужды ждать, пока "вскрытие покажет", как говорилось в мрачной медицинской шутке.
Теперь - о молекулярной медицине, эпоха которой наступила в начале XXI века в результате поразительных успехов, достигнутых генетикой и генной инженерией.
Молекулярная медицина - это диагностика, лечение и профилактика наследственных и ненаследственных болезней на генном уровне. Она сможет выявить генетическую предрасположенность человека к различным болезням, проводить лечение наследственных и ненаследственных заболеваний на генном уровне. При этом в качестве лекарственного препарата будут выступать гены. Генная терапия не только устраняет определенные симптомы болезни, но и корректирует функции клеток и всего организма.
Ее терапевтический эффект может достигаться заменой "больного" гена на "здоровый", коррекцией его структуры и функции, частичным или полным его подавлением.
Днем рождения реальной генной терапии может считаться 14 сентября 1990 года. В этот день было благополучно завершено лечение 4-летней девочки, родившейся с редким заболеванием - первичным иммунодефицитом. Любая детская болезнь могла убить ее в первые месяцы или годы жизни. Ученые национального института здоровья США забрали клетки иммунной системы девочки, ввели в них с помощью вирусов нормальные человеческие гены, которых ей недоставало, и вернули их в организм ребенка. Вскоре эту процедуру провели еще одной 9-летней девочке. В следующие два года детям проводили такую процедуру еще 12 раз. И хотя она не принесла девочкам полного излечения, перестроенные клетки выживают и производят необходимый больным недостающий фермент.
Существует два способа введения генетической информации в организм больного.
В первом из них, как в случае с американскими девочками, клетки извлекают из организма, вводят в них необходимый ген и снова возвращают. Эти клетки для организма "свои", иммунная система их не отторгает, и они затем синтезируют необходимый продукт, которого не хватало организму.
Другой способ - доставка генов прямо в организм. Чаще всего для доставки используют измененные и поэтому безопасные для организма вирусы, к которым "приклеивают" необходимые гены или их фрагменты.
Еще один важный принцип молекулярной медицины: любое лекарственное лечение должно подбираться строго индивидуально, учитывая особенности генома данного больного. Этим занимается новая наука - фармакогенетика.
В наши дни уже началось практическое применение молекулярной медицины. Широко используется молекулярная диагностика наследственных заболеваний, в том числе и до рождения (так называемая пренатальная диагностика). Проводится определение генов предрасположенности к некоторым распространенным болезням, точная идентификация личности на основе анализа особенностей структуры ее генома.
Этот метод был с успехом применен при генетическом анализе останков царской семьи. Используется он и для определения личности погибших в первой чеченской войне.
В геноме человека насчитывается несколько десятков тысяч различных генов. Изменения в некоторых из них приводят к наследственным заболеваниям. Гены наиболее частых и сравнительно редких наследственных болезней уже выявлены. Методы их обнаружения достаточно просты и универсальны и поэтому широко применяются в медицине.
Выявление генов наследственных болезней на ранних сроках беременности (с 10-ой недели) позволяет предотвратить рождение больного ребенка. Методы генной терапии дают возможность лечить различные генетические патологии в период внутриутробного развития. Введенный ген или генная конструкция предотвращает начало развития болезни у плода. После такой терапии можно обойтись без искусственного прерывания беременности: ребенок рождается здоровым.
Еще более важно выявление бессимптомных взрослых носителей наследственных заболеваний - потенциальных родителей. Врачи обязаны предупредить таких людей о вероятности рождения у них больных детей.
Методы молекулярной диагностики дают возможность выявить не только гены наследственных болезней, но и гены предрасположенности к тому или иному заболеванию.
В будущем предполагается создать "генетический паспорт" гражданина. Он должен содержать информацию о наличии в его геноме генов наследственных болезней и генов предрасположенности к другим заболеваниям.
Кроме всех этих технических и биологических средств диагностики, к услугам врача экспертные системы, которые на основе проведенных исследований помогают установить правильный диагноз и назначить соответствующее лечение. В эти системы заложен весь предыдущий врачебный опыт.
Благодаря развитию современных информационных технологий и, прежде всего, средств связи началось развитие телемедицины (то есть "медицины на расстоянии") - использование современных компьютерных средств обработки и передачи информации между "центром" и "периферией" здравоохранения.
Она даст возможность врачам даже небольших городов и населенных пунктов консультироваться у специалистов из медицинских центров Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, передавать истории болезни из одной клиники в другую, проводить всероссийские медицинские телеконференции, курсы повышения квалификации врачей, что называется, "без отрыва от производства".
Участковый врач не может одинаково хорошо разбираться во всех болезнях. Его задача - быстро и точно определить характер болезни, оказать необходимую помощь. В более сложных случаях появляется необходимость направить больного к узкому специалисту, например окулисту, урологу или гинекологу. А квалифицированные узкие специалисты, чаще всего, работают в больницах и институтах больших городов.
Смысл телемедицины - в создании федеральной информационной сети, объединяющей медицинские учреждения (специализированные академические институты, клиники, больницы, учебные медицинские институты и училища). Медицинские учреждения внутри каждого города должны соединяться системами локальной связи (оптоволоконными, телефонными, радиорелейными), а в разных городах - междугородными коммуникациями (в основном системами спутниковой связи). Для этого необходимо развивать средства передачи, приема и воспроизведения информации в самих медицинских учреждениях и объединять их внутрибольничными сетями. Такие сети позволят передать информацию о больных (рентгеновские снимки, результаты анализов, электрокардиограммы, данные компьютерной томографии, УЗИ) напрямую квалифицированному узкому специалисту. И тогда во многих случаях необходимость поездки больного в Москву, Санкт-Петербург или другой крупный город на консультацию отпадет.
Приходит на помощь медицине и робототехника. Уже выполнено 35 уникальных операций на сердце с помощью хирургической роботизированной системы. Одна из них проведена в России, в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. Бакулева.
В операционной хирург должен соответствующим образом положить больного, подвести к нему робот, разместить его, а дальше операция проводится роботом по указаниям компьютера.
Хирург голосом отдает команды компьютеру, в который заложены определенные программы, а он в свою очередь командует роботом, имеющим набор инструментов: иглодержатель, пинцет, ножницы и др. Инструменты зафиксированы в руках-держателях робота, обладающих высокой подвижностью. Робот манипулирует ими лучше, чем бригада из двух-трех хирургов. Он может работать из самых неудобных положений.
Роботизированная система способна продлить профессиональную деятельность выдающихся хирургов. Ведь с возрастом снижается выносливость, пальцы быстрее устают и начинают дрожать, а знания и опыт остаются.
С помощью такой роботизированной системы в Научном центре имени Бакулева впервые в медицинской практике было осуществлено шунтирование сосудов сердца, забитых атеросклеротическими отложениями, на бьющемся сердце без использования аппарата искусственного кровообращения. При этом было вшито 3 шунта.
Один из хирургов вскрывает грудную клетку больного и подготавливает пораженные сосуды к шунтированию. Другие вырезают из вен на его ногах фрагменты сосудов для шунтов. А затем хирург-оператор, глядя на монитор, через компьютер, отдающий команды роботу, начинает делать основную часть операции - подшивать шунты. Робот воспринимает только голосовые команды хирурга-оператора, не реагируя на остальные звуки в операционной. При этом робот докладывает хирургу о своих действиях. Когда робот заканчивает подшивать шунты, хирург закрывает грудную клетку больного и накладывает швы. Операция закончена.
В Европе и США успешно проводят операции эндоскопического (то есть без вскрытия грудной клетки) шунтирования сосудов сердца с помощью хирургического робота Da Vinci. При эндоскопической операции достаточно проделать только четыре отверстия в грудной клетке диаметром 0,5 см. Хирург управляет манипуляторами робота, вводимыми через эти отверстия. При этом он следит за ними по монитору, соединенному с миниатюрной телевизионной камерой, даже не видя самого пациента. При помощи робота Da Vinci выполняются все этапы операции.После такой роботизированной операции восстановление пациента происходит за считанные дни. При эндоскопических операциях без вскрытия грудной клетки снижается вероятность послеоперационной инфекции.
Следует подчеркнуть, что робот не заменяет хирурга, а только является помощником, облегчающим его труд при проведении операции.
Образование
Как уже указывалось в главе об истории книгопечатания, появление доступных печатных книг сделало грамотность насущной потребностью множества людей. Это вызвало целую революцию в образовании. До Гутенберга в Европе было всего около 30000 рукописных Библий, а к началу XVI века появилось более 9 000 000 печатных книг не только на религиозные, но и на самые разнообразные темы науки, литературы, искусства, политики. В результате к книгам и другой печатной информации получило доступ все общество, а не только служители церкви.
Печатная книга стала первым в истории средством массовой информации, позволившим передавать знания и опыт из поколения в поколение, причем в доступном, долговечном и достаточно компактном виде.
И по сей день, по прошествии XV веков, книга остается основой всех видов обучения. Но произошедшая за последние полвека информационная революция внесла существенные коррективы. Широкое распространение персональных компьютеров и создание глобальной сети Интернет создало совершенно новые возможности в системе образования - от школьного до высшего специального.
В странах Запада все более популярным становится "виртуальное" образование - современная форма заочного обучения. Ученики, не имеющие возможности посещать занятия из-за удаленности от школы или инвалидности, обучаются через Интернет, не выходя из дома. После государственного экзамена они получают законные аттестаты.
С 1 сентября 1999 года в России также начала работать официальная виртуальная средняя школа. Ее ученики смогут получить аттестат о законченном среднем образовании.
С 1983 года в США началась реформа системы образования. В университете штата Колорадо учится 400 000, а в Калифорнийском университете - 500 000 студентов. В этих учебных заведениях студенты общаются с преподавателями и кафедрами с помощью коммуникационных сетей.
В нашей стране первым перешел на новый метод обучения Московский государственный университет экономики, статистики и информатики (МЭСИ). Благодаря этому прием студентов в год возрос с 500 до 5000 в год.
В итоге их общее число достигло 40000 и превысило число студентов МГУ. В МЭСИ создано уже 100 электронных учебников, а преподаватели общаются со студентами по E-mail и даже в режиме on-line. При этом каждый студент имеет возможность самостоятельно выбирать 50 дисциплин, дающих право на получение высшего образования.
С развитием информационной сети все ее пользователи, в том числе и дети, смогут получать практически неограниченный объем информации. И тогда эрудиция и образованность каждого пользователя сети будут зависеть только от его любознательности и терпения.
Информационная сеть будет играть главную роль в процессе обучения. Она способна объединить труды и способности лучших преподавателей и лекторов. Школьные учителя и преподаватели высших учебных заведений смогут использовать их материалы в своей работе. Школьники и студенты получат возможность изучать их в интерактивном режиме.
Сегодня далеко не каждый человек может получить образование в таких элитарных университетах, как Кембридж, Оксфорд, Сорбонна или Гарвард - хотя бы по материальным соображениям. Со временем развитие информационной сети даст эту возможность любому учащемуся, независимо от уровня достатка его самого или его родителей. Информационная сеть создаст равные возможности получения образования для всех желающих учиться. Она станет для них своеобразным домашним учителем.
В середине XIX века американский конструктор и промышленник Сэмюэль Кольт сконструировал револьвер с шестизарядным барабаном "Кольт" и первым наладил массовое производство огнестрельного оружия. Важность этого события для становления демократического общества получила отражение в известном афоризме: "Господь Бог создал людей, а Кольт уравнял их в правах".
Директор Российского НИИ информационных образовательных технологий Николай Малышев в наши дни, в условиях становления информационного общества, перефразировал его так: "Интернет - это кольт, который уравнивает людей".
Информационной сети можно будет задавать вопросы и получать ответы на экране монитора или прослушивать их через звуковые колонки или наушники.
Темп обучения будет подстраиваться под способности каждого индивидуального учащегося. Более способные будут учиться быстрее, а с отстающими можно будет повторять материал до тех пор, пока они его не усвоят, то есть станет возможным обучение по индивидуальному плану. При этом будет широко применяться моделирование, например астрономических, физических, химических или биологических явлений. Со временем для обучения будет применяться и виртуальная реальность.
Многие века образовательный процесс строился по очной схеме: "учитель- ученики" или "лектор-студенты". Однако существовало и заочное обучение: форма организации учебного процесса для лиц, сочетающих получение образования с профессиональной трудовой деятельностью. Оно предполагает самостоятельную работу обучающихся над учебным материалом. Можно было сдать экзамены по курсу средней школы экстерном, т.е. заочно.
Более современной формой заочного обучения в наше время стала дистанционная форма обучения - получение образовательных услуг без посещения высшего учебного заведения, с помощью современных информационно-образовательных технологий и систем телекоммуникации, таких как электронная почта, телевидение и Интернет.
Дистанционное образование дает возможность учиться удаленно от места обучения, не покидая свой дом или офис. Это позволяет современному специалисту учиться практически всю жизнь, без специальных командировок, отпусков, совмещая учебу с основной деятельностью. Можно учиться, находясь практически в любой точке земного шара, где есть компьютер и Интернет.
Так в чем же смысл дистанционного образования? Он был дан в одном из проектов "Концепции создания и развития системы дистанционного образования в России", разработанном в Госкомитете РФ по высшему образованию:
"Под дистанционным образованием понимается комплекс образовательных услуг, предоставляемых широким слоям населения в стране и за рубежом с помощью специализированной информационно-образовательной среды, базирующейся на средствах обмена учебной информацией на расстоянии (спутниковое телевидение, радио, компьютерная связь и т.
п.)".
Обучаемые по системе дистанционного образования в основном не посещают регулярных занятий в виде лекций и семинаров, а работают в удобное для себя время, в удобном месте и в привычном темпе. Кроме того, студенту для поступления не требуется определенного образовательного уровня, и каждый может учиться столько, сколько ему необходимо для освоения предмета и получения зачетов.
Известно, что стоимость дистанционного обучения составляет 50-60% от стоимости очного обучения.
Конечно, дистанционная форма образования требует от обучающегося значительно большей самостоятельной нагрузки. Но новая роль отводится и преподавателю. На него теперь возлагаются координирование процесса обучения, корректирование учебного курса, консультации по составлению индивидуального учебного плана, руководство учебными проектами и др. Взаимодействие обучаемых и преподавателя в системе дистанционного обучения предполагает обмен сообщениями путем их взаимной посылки через компьютерные сети. То есть осуществляется обратная связь между обучающимся и преподавателем, позволяющая контролировать усвоение материала.
В Москве создан Интернет-университет информационных технологий, который выпускает целые комплекты книг по дистанционному обучению информационным технологиям.
Военное дело
Задачей любого военачальника во все времена было узнать о силах и намерениях противника не только больше, чем он узнает о твоих войсках, но и быстрее. Такая информация, поставляемая с помощью разведки (в том числе электронной) и средств связи, обеспечивает победу эффективнее, чем численный перевес в живой силе и технике.
В середине XIX века наивысшая скорость передачи информации по телеграфу составляла 30 слов в минуту, а для обороны территории в 10 кв. км требовалось 40 000 солдат. Во Второй мировой войне по телетайпу передавалось 66 слов в минуту, а для обороны той же территории требовалось 360 солдат. Во время операции "Буря в пустыне" в 1991 году передавалось по компьютеру 192 000 слов в минуту, а для обороны той же территории были задействованы 23 солдата. Прогнозы экспертов на 2010 год - 1,5 миллиарда слов в минуту и всего 2 солдата. Сочетание информационных технологий и высокоточного оружия даст возможность небольшим мобильным группировкам так называемого "быстрого реагирования" решать любые стратегические задачи.
Что же входит в арсенал "информационной" войны? Это спутники-шпионы и миниатюрные беспилотные самолеты, которые способны различать на земле предметы размером меньше метра. Это мощные суперкомпьютеры, способные быстро проанализировать и оценить ситуацию, помочь принять верные решения. И, наконец, это компьютерные вирусы, способные проникнуть в телекоммуникационные сети и системы управления противника и парализовать их действие.
Такая компьютерная "вирусная" война происходит уже сегодня. Ее по ходу конфликта между Израилем и арабскими террористами ведут хакеры - взломщики компьютерных сетей - с обеих сторон.
Наиболее ярким примером применения современных информационных технологий в военном деле стала операция "Буря в пустыне", проведенная войсками США и их союзников против Ирака в 1991 году.
Это была хорошо спланированная операция, блестяще осуществленная с использованием высокоточного оружия, самолетов-невидимок, беспилотных самолетов-разведчиков, приборов ночного видения, спутников и компьютеров.
За несколько недель до начала боевых действий агенты с помощью портативных компьютеров внедрили в телефонные станции и радиолокационные посты Ирака программные вирусы. В назначенный день и час эти вирусы отключили их и в первые минуты воздушного налета парализовали систему противовоздушной обороны Ирака. Таким же образом были выведены из строя бортовые радиолокационные системы истребителей иракских ВВС. Это дало возможность авиации союзников в первые же часы уничтожить основные объекты иракских ПВО и завоевать господство в воздухе.
В ответ на авиационные налеты Ирак обстреливал Израиль и Саудовскую Аравию баллистическими ракетами "Скад", но их сбивали американские ракеты "Пэтриот" с помощью сигналов от космической системы предупреждения.
Большая часть объектов системы управления войсками Ирака располагалась в Багдаде. Союзники с помощью авиационных бомб с лазерным наведением и крылатых ракет сумели разрушить их уже к началу наземных операций.
В результате за 43 дня боевых действий Ирак потерял 4000 танков (95%), 2140 орудий (69%), 1856 БТР (65%), 240 самолетов (30%), 7 вертолетов (4%) и 143 корабля (87%).
За это же время союзники потеряли всего 4 танка (0,1%), 1 орудие (0,03%), 9 БТР (0,2%), 44 самолета (1,7%), 17 вертолетов (1,7%).
Число убитых у 700-тысячной армии союзников составило 148 человек (0,021%). Число убитых у 500-тысячной армии Ирака - около 9000 человек (2%); 17000 раненых (3%) и 63000 пленных (12%). При этом более 150 000 солдат (28%) дезертировали за это время из армии Ирака.
За прошедшие годы эта операция была тщательно проанализирована. В результате этого анализа было выявлено, что информационное превосходство, безусловно, обеспечило успех операции. Но одновременно оно является достаточно уязвимым местом, доступным для информационных атак, например со стороны хакеров. Для защиты информационных систем принят национальный план.
В результате обобщения опыта "Бури в пустыне" появилось новое военное понятие "информационная операция".
В " информационной войне" уже давно используется радио и телевидение. Люди старшего поколения помнят, как в 1941 году, в начале Великой Отечественной войны населению нашей страны было предписано сдать все бытовые радиоприемники, чтобы избежать агитационных радиопередач противника. После войны все радиоприемники вернули их владельцам. На фронтах передний край противника обрабатывали не только авиация, артиллерия и минометы, но и агитационные бригады с помощью мощных звуковых усилителей.
И в наши дни идет "информационная война" между государственными каналами радио и телевидения с одной стороны и радио и телевидением чеченских боевиков - с другой.
Наконец, рядовой солдат армий развитых стран с каждым годом получает все более совершенное оружие. Это и оптические прицелы, и приборы ночного видения, и личный компьютер, и пуленепробиваемое обмундирование, внутри которого поддерживается постоянный микроклимат, где бы ни находился солдат - в Арктике или в пустыне. Этот личный компьютер будет управляться голосом. Он позволит отслеживать место нахождения солдата, связываться с командиром с помощью спутников и самолетов разведчиков и своевременно узнавать о маневрах противника. Скоро каждый солдат-пехотинец будет выполнять роль оператора персонального мультимедийного компьютера с процессором Pentium-75, оперативной памятью 32 Мбайт, жестким диском 340 Мбайт, сменной флэш-памятью 85 Мбайт. Вес этого компьютера около 1 кг, размеры - со среднюю книгу.
Защитный шлем компьютеризированного "электронного" пехотинца снабжен дисплеем, переговорным устройством, видеокамерой, прибором ночного видения, тепловизионной системой (реагирующей на тепловое излучение) и оптическим устройством прицеливания. Этот шлем способен защитить от прямого попадания 9-миллиметровой пули и от лазерного излучения. Им будут оснащать и солдат-пехотинцев, и летчиков (рис. 12.9, 12.10).
Рис. 12.9. Экипировка современного солдата-пехотинца
Рис. 12.10. Экипировка современного военного пилота
Стоимость компьютерной экипировки солдата США составляет 60000 долларов.
Все это сделает действия солдата гораздо более эффективными и позволит избежать потерь.
В российских истребителях нового, 5-го поколения аналоговых (стрелочных) приборов вообще не будет. Их заменят цифровые дисплеи, на которых пилот будет видеть всю основную пилотажную информацию. Дополнительно важная боевая и пилотажная информация будет передаваться на лобовое стекло шлема пилота. Это избавит его от необходимости непрерывно смотреть на приборы перед собой. Он сможет поворачивать голову и оценивать ситуацию еще и визуально.
В дальнейшем роль пилота в пилотировании самолетом станет меньше: компьютер будет решать, с какой скоростью и на каких режимах боевая машина будет выходить на цель и в какой момент разрешить летчику применить оружие. Однако решение на применение оружия и ответственность за последствия будут оставаться только на совести летчика.
Готовится и такое экзотическое оружие, как инфразвуковые и психотронные генераторы, способные парализовать действия солдат противника, вызвав у них панику.
и устной речи. Речь позволяет
Этапы развития информационных технологий
Появление языка и устной речи. Речь позволяет ученикам усвоить жизненный опыт учителя, вместо того чтобы методом проб и ошибок постигать все самим. Именно с появлением языка и речи и началась история человека как человека разумного, так как речь требует некоторого минимума абстрактного мышления.Изобретение письменности. Это позволило обходиться без личного общения с учителем для усвоения его опыта. Письменные документы доходят до людей через время и расстояния, а для потомков - через годы, века и тысячелетия. Изобретение книгопечатания. Печатный станок дал возможность быстро и дешево тиражировать информацию без ошибок, допускаемых переписчиками. Изобретение средств связи: сигнализации, почты, телеграфа, телефона, радио, телевидения. Изобретение звукозаписи, фотографии, кино, видеозаписи. Изобретение компьютера, который позволяет не только значительно ускорить любые расчеты, но и преобразовывать в соответствии с программой любую информацию, в том числе текст, звук, рисунки и движущиеся изображения. Изобретение персонального компьютера, позволяющего отдельному пользователю обходиться без помощи программистов за счет использования заранее разработанных программ. Изобретение всемирной сети Интернет и электронной почты, позволяющих отдельным людям пользоваться информационными ресурсами всего человечества, вносить свой личный вклад в эти ресурсы и общаться между собой, с частными и государственными организациями.
Человечество в начале XXI века оказалось на пороге создания информационного общества, в котором практически каждый человек, в какой бы точке земного шара он не находился, будет иметь реальную возможность легко связаться с другим человеком или организацией, передать и получить любую необходимую информацию - деловую и бытовую.
Понятие "информационное общество" появилось в середине 60-х годов XX века в Японии и США. Смысл его заключался в том, что большая часть населения развитых стран будет заниматься информационной деятельностью, а главным продуктом производства и основным товаром станет информация.
Формирование информационного общества началось с создания междугородней и международной телефонной сети и значительно ускорилось с изобретением радио и телевидения. С появлением микропроцессора, персонального компьютера, цифровых технологий, Интернета, электронной почты, спутниковой, сотовой и оптоволоконной связи формирование информационного общества достигает стадии зрелости.
В России реализуется Федеральная целевая программа "Электронная Россия". Эта программа информатизации России рассчитана на 9 лет. В нее будут произведены инвестиции на сумму около 2,4 млрд. долларов. Согласно программе, к 2007 г. доля продукции индустрии информационных технологий (ИТ) в российском ВВП должна возрасти с нынешних 0,5% до 2%, а объем экспорта высоких технологий увеличится в 15-20 раз (до 2,5 млрд долл.). Программа предусматривает внедрение новых информационных технологий в государственных органах и частном секторе, создание образовательных программ, призванных повысить уровень компьютерной грамотности россиян, и построение масштабной сети коммуникаций. В результате реализации программы к Интернету будут подключены все российские вузы и больше половины школ, созданы электронные библиотеки, внедрены системы телемедицины и т.д.
Появилось понятие "электронное правительство" - Electronic government (e-Government): система государственного управления на основе электронных средств обработки, передачи и распространения информации. Одна из главных задач этой системы - перенос общения каждого отдельного гражданина с государственными чиновниками в электронную почту. Прозрачность этого общения должна снизить уровень коррупции чиновников и значительно ускорить решение любых вопросов, касающихся отношений граждан с государством.
Таким образом, информационное общество - это концепция постиндустриального общества, новая историческая фаза развития цивилизации, в которой главными продуктами производства являются информация и знания.
Через шесть лет после изобретения интегральной схемы, в 1964 году один из основателей Intel Гордон Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Одновременно он предсказал, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство - все более массовым. Этот эмпирический закон действует уже более 40 лет.
В 2005 году началось производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007 год намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год - внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. К 2020 году размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Еще один путь - создание многоядерных процессоров на одном кристалле. Уже существуют двухядерные процессоры, в скором времени ожидается переход на четырехядерные процессоры. Они создают возможность параллельных вычислений, а следовательно, увеличения быстродействия компьютеров. Уже достигнута частота 3,73 ГГц. В компании Intel создан экспериментальный кристалл с размерами 22х13,75 мм, содержащий 80 ядер. Через 5 лет на одном кристалле будет достигнута скорость в терафлоп - один триллион операций в секунду!
Переход к использованию в информационных технологиях так называемой нанотехнологии объектов, размеры которых - порядка 10-9 м (атомы, молекулы), позволит на несколько порядков увеличить быстродействие и емкость памяти персональных компьютеров, а следовательно, и их возможности. В результате внедрения нанотехнологии в вычислительную технику человек-пользоватетель будет иметь на своем письменном столе или даже в кармане компьютер, превышающий по своим возможностям современные суперкомпьютеры.
