Lịch sử điều khiển học và khoa học hệ thống

Lịch sử điều khiển học và khoa học hệ thống 1. Sự ra đời của Điều khiển học và Khoa học hệ thống Bắt nguồn từ tiếng Hy-Lạp kybernetes “tay lái”, thuật ngữ“, “điều khiển học" xuất hiện thời cổ đại bởi Plato và thế kỷ 19 - Ampère nhìn như một khoa học về điều hành chính phủ sao cho hiệu quả. Khái niệm được làm sống lại và chi tiết hóa bởi nhà toán học Norbert Wiener trong tác phẩm của anh năm 1948 tiêu đề "Điều khiển học, hoặc sự nghiên cứu điều khiển và truyền thông trong động vật và máy". Tác phẩm ra đời dựa trên thực tế thiết kế hệ thống tự động tìm mục tiêu cho súng phòng không của Wiener từ năm 1940. Ông đã cọ xát với 2 vấn đề cơ bản có cùng điểm chung giữa máy và người là: - Hành vi thông minh của máy (dựa theo "kinh nghiệm " (ghi lại những sự kiện đã qua của mục tiêu) và dự đoán tương lai - Xử lý khuyết tật nguy hiểm không kiểm soát được các dao động khi cố gắng giảm bớt các ma sát. Từ đó, Wiener khám phá ra vòng lặp thông tin để hiệu chỉnh bất kỳ hoạt động nào - Sự phản hồi ngược feedback - để điều khiển đạt tới hoàn thành một hoạt động tới mục đích, phải hình thành " một vòng đóng kín” thông tin cho điều khiển giúp đánh giá những kết quả của hoạt động và chỉ đạo dựa theo những sự kiện đã qua. Năm 1948, hai tác phẩm đầu tiên với các ý tưởng mới về hình thành ngành khoa học này là cuốn “Điều khiển học: lý thuyết về điều khiển và truyền thông trong Động vật & máy móc” của Norbert Wiener và cuốn “Lý thuyết toán học về truyền thông” của Claude Shannon và Warren Weaver. Theo Norbert Wiener, đối tượng nghiên cứu của Điều khiển học là cơ chế điều khiển các tổ chức sống và máy móc, dựa trên ý tưởng điều chỉnh hoạt động bởi vòng phản hồi ngược. Trong khi đó, Claude Shannon và Warren Weaver phát triển lý thuyết toán học cho truyền thông (gọi là lý thuyết thông tin) được coi là lý thuyết chung của tổ chức và quan hệ điều khiển trong các hệ thống khác nhau. Cả “Lý thuyết Thông tin” và “Lý thuyết hệ thống và Điều khiển” được phát triển từ những môn kỹ thuật độc lập. Điều khiển học được là nhấn mạnh là không chỉ điều khiển và truyền thông trong các máy móc được thiết kế (những hệ thống nhân tạo) mà còn được vận dụng trong tìm hiểu những hệ thống tự nhiên như tổ chức và hệ thống xã hội, có những mục đích của chính mình. Những khái niệm hệ thống được khảo sát ban đầu như tính mở, hành vi hướng đích và cơ chế phản hồi, tính cân bằng nội, tính tổ chức và tự tổ chức.... Điều khiển học tách khỏi nhiều ngành khác để trở thành chuyên ngành độc lập từ năm 1944 tới 1953 nhờ đóng góp của một số trí thức ở các ngành khác nhau như toán học, sinh học, kỹ thuật... gồm Wiener, John von Neumann, Warren McCulloch, Claude Shannon, Heinz von Foerster, W. Ross Ashby, Gregory Bateson và Margaret Mead. Họ đã có một cuộc gặp dưới sự tài trợ của Josiah Macy gọi là Hội nghị Điều khiển học Macy. Từ trọng tâm của nó ban đầu là nghiên cứu máy móc và sinh vật, điều khiển học nhanh chóng mở rộng ra các đối tượng phức tạp như trí não (Bateson và Ashby) và hệ thống xã hội, quản lý học, chính trị học... khôi phục lại ý đồ Plato đặt ra ban đầu là điều khiển các quan hệ trong xã hội. Thời kỳ này đánh dấu bởi sự ảnh hưởng sâu sắc của Warren McCulloch, giám đốc viện nghiên cứu Tâm lý học Đại học tổng hợp Illinois. Nhóm của anh đã đưa ra những kết luận quan trọng rằng muốn biết về tổ chức của vỏ não, hiểu được cơ chế hoạt động của não (và mô phỏng hoạt động chúng bằng máy móc) thì cần sự phối hợp của rất nhiều ngành. Chính Warren McCulloch cũng đã chuyển từ tâm lý học sang toán học, rồi từ toán học sang kỹ thuật. Trong thời gian 1940 và 1950 có những thành tựu như kiến trúc máy tính của von Neumann, lý thuyết trò chơi và tế bào tự hành của Wolfram; Ashby và von Foerster có phân tích sự tự tổ chức; người máy tự trị của Braitenberg và mạng thần kinh nhân tạo, perceptrons, classifiers... của McCulloch Qua năm 1950, những nhà tư tưởng điều khiển học tiến lên và gắn kết nhau thành Lý thuyết chung về các hệ thống (General Systems Theory). Cùng thời gian đó, năm 1954, Ludwig von Bertalanffy (đại học tổng hợp Chicago), từ lĩnh vực sinh học đã thử xây dựng cho một khoa học hợp nhất đưa ra những nguyên lý chung của các hệ thống. Lý thuyết chung các hệ thống là thuật ngữ đã được L. Von Bertalarffy đưa vào vốn từ vựng khoa học để mô tả lý thuyết các hệ thống mở và các trạng thái cân bằng động năm 1933 tại trường đại học tổng hợp Chicago. GST nghiên cứu những hệ thống có mức tổng quát nhất định, trong khi Điều khiển học tập trung hơn về những hệ thống định hướng mục đích, chức năng có dạng quan hệ điều khiển. Đó là cơ sở để hình thành ngành khoa học với phạm vi bao trùm tất cả - "Khoa học về hệ thống" (System Science) Theo L.V Bertalanffy thì có một lý thuyết tổng quát và nhiều lý thuyết hệ thống chuyên biệt ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhau (như lý thuyết hệ thống tự nhiên, lý thuyết hệ thống xã hội, lý thuyết hệ thống tư duy…). Trong chương trình xây dựng lý luận của mình ông đã chỉ ra những nhiệm vụ cơ bản: - Thứ nhất, làm sáng tỏ những nguyên tắc và quy luật chung về hành vi của các hệ thống; - Thứ hai, xác lập những quy luật tương tự của khoa học tự nhiên nhờ tiếp cận hệ thống đối với các khách thể sinh học, xã hội. - Thứ ba, tạo ra sự hợp thức khoa học hiện đại trên cơ sở làm rõ tính tương đồng của các quy luật trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau. Các nhiệm vụ này dẫn đến sự thay đổi nội dung trên cơ sở những quan niệm hệ thống (chỉnh thể), chức năng, cấu trúc. Chính điều này đã tạo ra tiền đề phương pháp luận để hình thành hệ thống khái niệm mới với nội dung xác định và với quan hệ đã cho một cách rõ ràng với những chuyển đổi giữa chúng. Tổ hợp các khái niệm hệ thống là bộ khung khái niệm khởi đầu, tạo ra sơ đồ nguyên tắc của sự phân chia khách thể nhận thức. Sự xuất hiện của "Lý thuyết chung của các hệ thống", một dạng những quan điểm khoa học chung mang tính hình thức và phổ quát, đã thúc đẩy mong muốn của cộng đồng khoa học muốn tiến tới phổ quát hoá các công cụ nhận thức khoa học và tiến đến nhận được luận điểm đặc trưng của các hệ phổ quát. Do vậy, cách tiếp cận hệ thống đã được sử dụng trong lý thuyết mang tính chất liên ngành, tạo ra cơ hội đem những quy luật và những khái niệm từ một lĩnh vực nhận thức này sang một lĩnh vực khác. 2. Điều khiển học thế hệ thứ hai Đóng góp cơ bản nhất của điều khiển học là giải thích được tính mục đích (hành vi hướng đích), một đặc trưng quan trọng của trí não và cuộc sống, dưới dạng điều khiển và thông tin. Những vòng điều khiển phản hồi ngược cố gắng đạt và duy trì những “trạng thái mục đích” được tìm thấy trong khi đó những mô hình cơ bản của các tổ chức tự trị: khi ý định chưa được định hình, hành vi của nó bị ảnh hưởng từ môi trường hoặc những quá trình năng động bên trong. Điều khiển học thế hệ thứ nhất: Điều khiển học ra đời từ sự bắt đầu quan tâm các điểm giống nhau giữa những hệ tự lập: cơ thể sống và máy móc. Tuy nhiên, đến trước năm 1970, kỹ thuật điều khiển và máy tính chỉ mới tập trung về cách tiếp cận kỹ nghệ là người thiết kế hệ thống xác định hệ thống sẽ làm cái gì. Các hệ thống con người làm ra có tất cả kiến thức theo một cách duy nhất, chính là mô hình do nhà chế tạo xây dựng từ trước. Điều khiển học thế hệ thứ hai: Sau năm 1970, theo quan điểm thuyết tương đối, ta không thể phân tách được người quan sát với kết quả quan sát. Trong nghiên cứu hệ thống, phải tích hợp phần đóng vai trò quan sát vào trong hệ thống để hệ thống tăng tính độc lập. Hệ thống phải tự biết xây dựng kiến thức từ môi trường mà nó tương tác; tự trị, phát triển trong sự quan sát và tương tác môi trường. Từ những nhu cầu phân biệt rõ ràng nhiều cơ chế tự mình của các hệ thống phức tạp: nhấn mạnh sự tự trị, tự tổ chức, tự nhận thức, và tự đóng vai trò của người quan sát bên trong mô hình một hệ thống đã hình thành nên điều khiển học thế hệ thế hệ 2. Kỹ thuật phỏng sinh học mô tả các cơ thể sống, máy thông minh được mở rộng sang tâm trí người. Bateson, Ashby và rất nhiều nhà điều khiển học hiện đại đã đề xuất nhiều loại mô hình như mô hình hệ động lực, mô hình otômat, nơron hình thức... để khảo sát các tính chất của hành vi hệ thống như ổn định, cân bằng, khả năng tự tái sinh, tái tổ chức... Điều khiển học mở rộng tiếp sang hệ thống công nghiệp, xã hội, sinh thái... (nhà quản lý Bia Stafford và Jay Forrester, nhà tâm lý học Warren McCulloch, nhà kinh tế học K. Boulding, nhà toán học A. Rapoport), khôi phục bản gốc ý tưởng Plato đã từng đưa ra là tập trung nghiên cứu về điều khiển những quan hệ trong xã hội. Những ý tưởng liên quan đến não, nhân chủng học, kinh tế học, kỹ nghệ học được nghiên cứu tiếp. Các nhà khoa học đã phát triển các lý thuyết về các hệ thống phức tạp mà thành tựu là hợp nhất với các lý thuyết hỗn độn (chaos theory), lý thuyết phức tạp (complexity theory)... nghiên cứu những hệ thống động, sự hỗn loạn và thích nghi phức tạp, đưa công cụ toán học vào để mô tả hành vi hệ thống. Forrester quan tâm đến những hệ thống công nghiệp, quốc phòng có khả năng cố gắng tự phỏng đoán hành vi của nó. Năm 1961, ông mở rộng Khái niệm Động lực học hệ thống vào tổ chức, quản lý các hệ thống Đô thị. Năm 1971, ông đã khái quát hoá kết quả làm việc của mình, xây dựng ngành khoa học mới Động học Hệ thống (System Dynamics) trong tác phẩm World Dynamic. Động học Hệ thống sẽ nghiên cứu những hệ thống mà thông tin phản hồi xuất hiện ở mọi thành phần của hệ thống và phản ánh liên tục qua hành vi hệ thống, làm cho hệ thống phải củng cố và giữ thăng bằng trong xử lý phản hồi, phát sinh để đảm bảo hệ thống ổn định. Động học hệ thống tập trung xây dựng mô hình mô phỏng bằng máy tính diễn biến hành vi của hệ thống. Cách tiếp cận điều khiển học mới này nhấn mạnh về nhận thức luận, những vấn đề tâm lý học và xã hội học thổi thêm vào không khí cho tiến bộ khoa học và kỹ nghệ mới. Những nhà khoa học von Foerster, Pask và Maturana tiếp tục hướng điều khiển quan tâm theo hướng nâng cao vai trò của sự tự lập và người quan sát dần đưa đến nền tảng vững chắc cho toàn ngành. Nhiều công việc áp dụng trong kỹ thuật rôbôt, trí tuệ nhân tạo như phần mềm tự lập (agent). Trong truyền thông đại chúng, "cyborgs" và "robot" đã được người ta nói nhiều tới. Những ý tưởng và thử nghiệm điều khiển học đem lại cho mơ ước mới về cuộc sống nhân tạo của máy móc... Những tác giả như John Holland, Kauffman và Brian Arthur Stuart và lĩnh vực cuộc sống nhân tạo, đã tận dụng sức mạnh của máy tính hiện đại để thử nghiệm và phát triển nhiều ý tưởng điều khiển học. 3. Vận động đi lên của Điều khiển học Mặc dù giữ vai trò lịch sử quan trọng của thời đại, điều khiển học có vẻ như không thật giống như một môn khoa học độc lập. Từ điều khiển học đã nhanh chóng, liên tục hình thành các ngành khoa học mới như khoa học máy tính, lý thuyết thông tin, trí tuệ nhân tạo, mạng thần kinh, khoa học nhận thức, hệ thống phức tạp, khoa học thiết kế mô hình và mô phỏng máy tính, những hệ thống năng động, cuộc sống nhân tạo... nên các chuyên gia điều khiển cũng bị phân tán ở nhiều ngành khoa học khác nhau. Nhiều khái niệm của những lĩnh vực này như độ phức tạp, sự tự tổ chức, tự sản sinh, sự tự lập, mạng, sự thích nghi, được đưa ra bởi chính những nhà điều khiển học. Những nguyên lý quan trọng khác của điều khiển học tuy có vẻ đã bị quên lãng nhưng thực ra định kỳ được phát hiện hoặc sáng tạo lại trong những lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, sự tái sinh của những mạng thần kinh, sáng tạo đầu tiên bởi các nhà điều khiển học năm 1940, sau đó là năm 1960 và thêm một lần nữa năm 1980; phát hiện lại tầm quan trọng của sự tương tác tự lập ở kỹ thuật rôbôt và AI trong năm 1990; và ý nghĩa sự phản hồi dương tính bên trong những hệ thống phức tạp, được phát hiện lại bởi các nhà kinh tế học năm 1990. Những ý tưởng cơ bản của điều khiển học đã và đang được các môn khoa học, công nghệ khác sử dụng lại và tiếp tục ảnh hưởng đến sự phát triển chung của nền khoa học công nghệ nhân loại. Tiền tố "Cyber", “Online”, “E-” đang hiện diện ở khắp nơi, tràn ngập cuộc sống hiện đại như tượng trưng cho sự giao lưu thông tin phong phú và tràn ngập trong văn hoá. Tuy nhiên, có nhiều lý do để tư tưởng cơ bản của điều khiển học không được phổ biến rộng rãi. Đó là do tính chất phức tạp và trừu tượng của ngành, sự phân tán chuyên gia vào các phân ngành cụ thể hơn, tài liệu giới thiệu và giảng dạy chưa được biên soạn đúng mức... Cũng vì lý do đó mà Lý thuyết hệ thống tổng quát dù được đưa vào như một tiếp cận mới của các ngành khoa học khác nhưng chưa được hiểu biết, áp dụng sâu sắc, công nhận đúng vai trò cần có, cũng như khả năng thâm nhập giải quyết các vấn đề đặt ra của Thế giới quan và Triết học. Rõ ràng, Điều khiển học là Khoa học về sự vận động của vật chất. Điều khiển học quan tâm tới những thuộc tính hoặc những thành phần cụ thể của mọi loại hệ thống vật chất có biểu hiện rất khác nhau như mạch điện, bộ não, xã hội... và tìm kiếm những quy luật chung của sự vận động ở các hệ thống vật chất này. Bởi vậy, điều khiển học cần được vận dụng như một khung lý thuyết trung tâm, hợp với thuyết tiến hóa và các học thuyết về phát triển xã hội để hình thành một thế giới quan cho kỷ nguyên mới. 4. Các nhà Điều khiển học và khoa học hệ thống - Norbert Wiener (1894-1964) nhà toán học; sáng lập ra ngành Điều khiển học. W. Ross Ashby (1903-1972):một trong số những người sáng lập ra ngành điều khiển học; phát triển khái niệm cân bằng nội (homeostat), quy luật về sự đa dạng cần thiết, nguyên lý tự tổ chức, và quy luật về sự điều chỉnh mô hình. Claude Shannon (1916-2001)cha đẻ của lý thuyết thông tin Gregory Bateson (1904-1980) nhà nhân chủng học; phát triển lý thuyết tình thế tiến thoái lưỡng nan và tìm ra sự song hành giữa phát triển trí não và sự tiến hóa tự nhiên. Herbert A. Simon (1916-2001) người đoạt giải Nobel về kinh tế học, có những đóng góp căn bản cho ngành Trí tuệ Nhân tạo, Tâm lý học Tri nhận, Quản lý, triết học các khoa học, và những hệ thống phức tạp. Jay Forrester (1918-)Kỹ sư, người sáng tạo ra hệ thống động học, ứng dụng mô hình hóa công nghiệp, thành phố và thế giới. Ludwig von Bertalanffy (1901-1972) Nhà sinh vật học sáng lập ra Lý thuyết chung về hệ thống Warren McCulloch (1898-1969) nghiên cứu thần kinh học; đặt nền móng phát triển mô hình toán cho mạng thần kinh. Heinz von Foerster (1911-2002)một trong những cha đẻ của điều khiển học; nghiên cứu đầu tiên về tự tổ chức, tự tham khảo và những sự tuần hoàn khác (circularities); sáng tạo nên điều khiển học thế hệ thứ hai. William T. Powers kỹ sư; người sáng tạo lý thuyết điều khiển nhận thức. John von Neumann (1903-1957) nhà toán học người Hungary; cha đẻ của lý thuyết ergodic, lý thuyết trò chơi, lôgic lư¬ợng tử, tiên đề của cơ lượng tử, máy tính, automaton tế bào và những hệ thống tự tái sản xuất. Valentin Turchin (1931-)nhà toán học, điều khiển học người Nga, phát minh ra nguyên lý phát triển siêu hệ thống, lý giải sự tiến hoá của lịch sử loài người: ý thức – khoa học – văn hoá (Hanoi Software Jsc.)