控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學

《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》是美國數學家諾伯特·維納創作的科學著作，1948年首次出版。

《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》全書共10章，用統一的數學觀點討論了通訊、計算機和人類思維活動，提出了自動化工廠、機器人和由數字計算機控制的裝配線等新概念。書中使用了通訊理論的術語，如控制、反饋、信息、輸入、系統等幫助人們進行思維。

《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》對現代計算技術、控制技術、通訊技術、自動化技術、生物學和醫學理論都有不同程度的影響。該書為控制論奠定了理論基礎，同時也是控制論正式誕生的標誌。控制論與系統論和資訊理論一起，成為現代信息技術的理論基礎。

基本介紹

• 作品名稱：控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學
• 外文名稱：CYBERNETICS Or Control and Communication in the Animal and the Machine
• 作品別名：控制論
• 作者：諾伯特·維納
• 首版時間：1948
• 字數：193000
• 類別：科學

內容簡介

《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》由導言和十個章節所構成。導言介紹了該書的基本思想形成的來龍去脈和發展邊緣科學的基本方法。第一章“牛頓時間和柏克森時間”，作者通過對牛頓力學的相對性、局限性的分析，指出“即便在引力天文學中，也有逐漸衰減的摩擦過程。沒有一門科學完全符合嚴格的牛頓式樣”。為了給控制論建立一種統計理論，作者在第二章“群和統計力學”中分析批判了吉布斯的古典統計力學。指出這個統計力學所處理的是關於孤立系統的問題，而控制系統則不是孤立的，它是一個與周圍環境密切聯繫的系統。第三章“時間序列、信息和通訊”討論了時間系列的統計力學問題和處在統計平衡的時間系列的問題。在這裡他提出了著名的預測和濾波的理論。該理論為設計自動防空控制炮火等方面的預測問題提供了理論依據，也為評價一個通訊和控制系統加工信息的效率和質量從理論上開闢了一條途徑。接下來在第四章“反饋和振盪”中，作者對反饋系統的穩定性和計算機的記憶，運算和控制裝置的特點進行了分析。在此基礎上，第五章“計算機和神經系統”，又進一步討論了神經系統活動的某些機制和病理學的問題。在第六章“完形和普遍概念”中，作者利用從電視掃描引申過來的概念討論了視覺生理的某些問題和用一種感官來彌補另一種感官的缺陷的問題。第七章作者結合著對電子計算機工作可靠性的討論，從控制論的觀點構想了某些精神病理學現象的可能機制。最後在第八章“信息、語言和社會”中，作者試圖運用控制論的觀點去分析社會發展的一些根本問題，並對自動化所可能帶來的社會後果戰爭和失業問題一一表示了擔憂。第九章作者在指出了學習和自生殖這兩種現象的內在聯繫的同時，從技術上論述了人造機器的學習和自我生殖能力的可能性問題。第十章作者認為是對第九章在生理學上的補充，在這裡作者專門討論了自行組織過程的一個關於腦電波問題的實例。

作品目錄

導言	第一章 牛頓時間與柏格森時間	第二章 群和統計力學
第三章 時間序列、信息與傳播	第四章 反饋與振盪	第五章 計算機和神經系統
第六章 完形和普遍概念	第七章 控制論和精神病理學	第八章 信息、語言與社會
第九章 關於學習機和自生殖機	第十章 腦電波與自行組織系統

創作背景

第二次世界大戰期間，維納在研究武器自動化時，將自動裝置的有目的性的動作和人的相似行為加以類比發現：以前只屬於生物機體的有目的性動作的性質，在某些自動控制系統中同樣存在。在當時，神經生理學已經對人的有目的性行為做過研究，自動控制、電子技術、無線電通訊等，也研究了機器等自動裝置的目的性行為。然而，要突破動物和機器的界限，對動物和機器的類似的目的性行為進行研究，卻是人們從未做過的工作。維納從各門學科相互交叉走向綜合的發展趨勢，看到了開拓學科邊緣研究的重要性，於是，從20世紀40年代初開始，維納就將自動控制、通訊工程、電子技術、無線電通訊、計算機技術、神經生理學、數理邏輯、語言等學科所關心的共性問題聯繫起來進行研究。

1947年，維納去法國參加一次調和分析問題數學會議，途經英國，拜訪了圖靈，與他討論了控制論的基本思想，還參觀了劍橋大學心理研究所。這次英國之行，使他看到英國和法國的一些學者對控制論在各方面套用的可能性也有很大的興趣，儘管當時還沒有把各種研究線索加以綜合，但維納已經強烈意識到控制論的建立已成為一種國際性的聲勢。在會議期間，法國出版商拜訪了維納，並約請維納就這門學科的發展寫一本書。維納欣然答應了這一要求，並很快寫就了書稿。並於1948年出版了《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》。

作品思想

導言

在科學發展上可以得到最大收穫的領域是邊緣學科。每個人不僅應成為自己研究領域中的專家，而且應對與其鄰近的研究領域有著正確的知識和理解。維納認為控制論這個新發展對“為善”與“作惡”都有無窮的可能性。第一次工業革命使人手對機器競爭而貶值，那么現在的工業革命使人腦對自動機（以電腦為控制中樞）競爭而貶值，希望社會對此引起關注。書中對人類社會的未來表示悲觀，對於以控制論觀點發展經濟學或社會學這一精密科學的可能性則表示失望。

第一章 牛頓時間與柏格森時間

用牛頓力學基本定律描述一個動力學系統，則這些定律不因時間t改為-t而變更其形式，即過去與未來是對稱的。所以說牛頓系統中時間是完全可逆的。在牛頓的絕對時間概念里，太陽系中星體的運動象一個輪子或幾個輪子在轉動那樣，未來總是以過去的某種形式重複著，其中沒有什麼新事物出現。對此維納指出，即使在時間完全可逆的牛頓系統中，當回答機率和預測問題時，也要發生過去和未來不對稱的情況。

柏格森強調指出物理學的時間和進化論與生物學的時間是不同的。前者是可逆的，其中沒有什麼新事物出現，後者是不可逆的，其中總是發生著新奇的事物。熱力學認為世界是從有序到無序的退化，是熵的增加。柏格森認為時間是熵減少的過程。它說明世界不是走向死亡，而是在生成、進化和創造。

維納認為17世紀和18世紀初葉是鐘錶的時代，18世紀末葉和19世紀是蒸氣機的時代，那么現代就是通訊和控制的時代，是自動機的時代。他認為每個時代都有它自己認為的自動機如鐘錶、蒸氣機等。現代的各種自動機，如同動物一樣，能通過對外界信息的接收和對自身動作的完成來適應外界的變化。它們包含有感覺器官，動作器官和一個相當於動物神經系統那樣的傳遞信息的指揮器官。因此，近代自動機跟生命體一樣， 都應是存在於柏格森的時間中。按照柏格森的觀點，沒有什麼理由認為生命體活動的基本方式一定和模擬生命體的人造自動機有所不同。

第二章 群和統計力學

維納認為一個控制系統不是一個孤立系統，而是一個與周圍環境密切聯繫的開放系統。特別是控制系統通過自己的反饋機構可以減少系統的熵。在控制系統中經常發生熵減少的過程。所以維納認為吉布斯的統計力學不能直接用來研究控制系統，應給控制系統建立一種統計理論，即第三章提出的時間序列的統計力學問題。

第三章 時間序列、信息和通訊

這一章首先明確了控制工程（如防空炮火控制系統）與通訊工程（如電話、電視系統）的問題是不能區分開來的。因為問題的關鍵不是圍繞著電工、機械的技術問題，而是圍繞著更為基本的訊息概念，不論這訊息是以電的、機械的或是動物神經的方式傳遞的，訊息都是分布在時間上可量事件的離散的或連續的序列——確切地說，就是統計學家所謂的時間序列。所以，通訊、控制與統計力學的一系列核心問題，不管這些問題是存在機器中，還是活動機體中，其本質是統一的。就是從這些基本概念的突破——將動物與機器相提並論，將控制和通訊等量齊觀，提出了控制論（Cybernetics）這一新的名詞術語為該學科定了名。

維納在用數學嚴格定義了信息概念，並推導出信息與熵的關係後，運用了第二章討論過的各態歷經定理，證明了在一定條件下，處在統計平衡的時間系列的時間平均等於相平均。有了這個前提，就可以從統計系統中的任一時間系列的過去數據，求出整個系統的任一統計參數的平均。即可以從統計上由過去預測未來。維納正是根據這一點，提出了預測和濾波理論——維納濾波。維納提出了最優預測的公式，指出了如何使對統計參數的估算所產生的誤差為最小。

第四章 反饋和振盪

維納認為如果不把反饋考慮在內就無法理解許多生理現象。反饋原理不僅在生理現象上是常見的，而且，生命體內的這種由於反饋控制達到的“穩態”（如體溫恆定、血壓恆定等）是延續生命絕對必要的條件。

第五章 計算機與神經系統

維納認為現代計算機應當是數字式的，而不是模擬式的，是二進制的，而不是十進制的，是電子管的，而不是機械的開關裝置。維納研究了人和動物的神經系統，了解到在做計算工作時，作為計算元件的神經元或神經細胞所能處的興奮與抑制兩種狀態類似於繼電器開啟與關閉的兩狀態。並且神經脈衝沿軸突傳輸也服從“全或無”定律，即神經纖維在任何時刻只能處於兩種狀態之一：有脈衝，而且是最大可能幅度的脈衝，或無脈衝。用數學語言來說，就是有則為1，無則為0。並且只有以二進制為基礎的0、1符號才能作為邏輯運算的基礎，而十進制則不行。維納認為要想提高運算速度，必須將全部運算程式和數據事先放在計算機中，讓它在進行計算時，自動地按程式進行計算，直到最後把結果算出來為止，中間應該沒有人干預。為此，所需的一切邏輯判斷都必須由機器自身作出。現代計算機就是這種存貯程式式的自動機。它實質上也是對人進行運算工作時的模擬。維納認為如同人的神經系統有一個很重要的功能——記憶那樣，現代計算機也必需具有這個功能。它用來保存計算程式與運算的中間結果，待後來使用。

第六章 完形和普遍概念

維納認為人的感官如眼、耳或手住識別物體時都有二個過程：第一是對準過程。如眼睛要看清一個物體，先要通過控制眼球的肌肉，轉動頭部的肌肉，乃至轉動身軀的肌肉，使之對準聚焦該物體。這種動作就是由視覺一肌肉（當然經過大腦）反饋系統來完成。類似地，耳朵聽到呼喚也有轉動頭部，使雙耳正對聲源的動作等。這個過程的目的是把吸引注意力的對象放在標準的位置和方向上，從而使所形成的視象能夠在儘可能小的範圍內變化。這些並非是知覺事物的形態和內容的全部過程。但是它確實便利了人們為了達到這個目的而後來進行的一些過程。這個階段類似自動攝影機的對準、定向和調焦距的過程，即使視覺得到一個完整形象（完形）的過程。第二是識別過程。這個過程是將眼睛所接收的訊息，在眼內以及大腦皮層進行變換，存貯和比較的過程。如人眼對辨識輪廓（如人面輪嘟）的能力特彆強，原因是眼睛聚焦到某輪廓邊緣時接受到了明暗不同的交替刺激。而視神經中有四分之三細胞只有在圖像光有變化時才有反應，並且視神經還有增強明暗對比度的能力。因此，眼睛得到事物的最強烈印象的部位是在邊界上，即在這階段，輪廓被強調起來，所得視象就具有繪畫素描的性質。

維納進一步認為，人識別一個圖像，不管它們怎樣放置，腦中過去記憶都有這些標準的圖像，當眼見到圖像進入大腦後，即與標準圖像進行比較。這時，大腦的比較過程類似於電視形成圖像的掃描過程，也可以放大與縮小，還可以進行立體（三維）的旋轉，即從各個角度去認識它。通過這些加工變換，使之與腦中標準圖像聯繫起來，使人認識它。就是說人眼識別物體時，腦中有計算機圖像識別的功能，對圖像能形成一個普遍觀念。

第七章 控制論和精神病理學

維納認為如同高可靠性的計算機那樣，腦中的每一運算都同時交給兩套或三套不同的機構去做，然後互相驗證，去偽存真，神經系統的工作也是如此。焦慮性精神病患者的惡性憂慮就像電腦程式進入死循環一樣。精神錯亂患者的神經系統就像電話通訊網路中，用戶過多，而線路太少，以致整個網路通訊阻塞的情況一樣。從這些觀點出發，維納對許多醫療精神病的方案，如睡眠療法、電擊療法和前額葉切除術等進行了類比和討論。

第八章 信息、語言和社會

維納認為如同自動機，動物是由元件、細胞構成一樣，社會也是由小組織組成的。並且社會也是依靠訊息將它們聯繫在一起的。動物靠身上的氣味通過嗅覺傳遞訊息，而人主要靠語言傳遞訊息。因此維納認為社會的穩定是與訊息的傳播密切相關的。維納對資本主義社會信仰自由競爭，認為自由競爭能使內部穩定提出了不同的看法。他提出：小而緊密地結合著的社會有極大程度的內部穩定性，不管是高度文明的社會，還是原始野蠻人的村落，都是一樣。在一個過大的社會裡由於通訊系統掌握在爭權奪利的野心家們手中，因此引起爭奪，爭奪就是社會內部不穩定的因素。

維納認為控制論的新思想會發生某種社會效用的想法是虛偽的希望，且認為把自然料學中的方法推廣到人類學、社會學、經濟學方面去，希望能在社會領域裡取得同樣程度的勝利是一種過分的樂觀。

第九章 關於學習機和自生殖機

第九章與第十章是維納在1961年修訂該書時補充的兩章。

在第九章中，作者首先將個體的學習與種族生殖遺傳進行了對比。認為種族遺傳過程中的進化（通過變異與自然選擇）就是學習，是系統發育的學習。所以，個體發育和系統發育的學習都是動物根據周圍環境來調節自己的方式。這樣，系統發育不僅包括了動物，也包括了植物。當然植物，動物、哺乳動物以至於人的個體發育學習，程度是大不相同的。人的個體發育學習和個體適應性被提到了最高的重要地位。維納認為非線性反饋對上述兩種學習過程是非常重要的。

維納認為從哲學的觀點來看，而不是從細節來考慮以下兩個過程是非常類似的。以此證明機器能生殖自己。一個是以一個基因作為一個樣板，從胺基酸和核酸的一種比例不定的混合物中，形成與它相同的另一基因分子，或者病毒把從它的寄主的組織和體液中形成的其它同種病毒分子引變成自己那種類型的病毒。這是生命體自己生殖的例子。另一個是用許多線性項的和來模擬任何未知的非線性變換器，其中每一個線性項都有固定的特性，並帶上一個可調整的係數。具體地說，就是人們已經成功地製造了一個能模擬任何非線性變換器特性的白箱，然後，把它與一給定的黑箱變換器進行類比，方法是給兩者加上同一隨機輸入，並把它們的輸出以適當方式聯接起來，使它們不需要人的干預就能達到一種適當的結合。這是機器能自己生殖的思路。它與前面生命體自生殖的例子非常類似。

第十章 腦電波與自行組織系統

維納認為腦動電流圖或腦電波所反映的大腦是一種自行組織系統。它也是非線性特性起主要作用的系統。他套用頻譜分析的方法，得出了腦電波的譜功率主要部分在10赫附近。維納認為這與視覺接收信號有1/10秒延遲，大腦α波的近似周期也是1/10秒是有聯繫的。類似電子計算機中央時鐘周期控制機器工作節拍一樣，仿佛中樞神經系統每1/10秒能夠接收一個進入脈衝，也仿佛是每1/10秒才有一個從中樞神經系統輸出到肌肉的脈衝。

維納將這個概念擴充至動物的其他現象。頻率吸引的現象，在某些無生命的場合也有發生，而串聯則不行，故串聯繫統通過自然選擇被淘汰。一個引起頻率吸引的非線性相互作用能產生一個自行組織系統，維納認為這種自行組織的可能性不限於低頻範圍。在紅外光、雷達波段甚至在分子幅射頻率上對基因，病毒和確的作用上也有類似特性。這方面還有待於進一步研究。

作品影響

《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》出版後，由於代表了當時的各種不同領域的共同思潮，並有數學技術的支撐，加上維納寬泛的涉獵和視野，使得文中的觀點激發了人們的熱情和想像力。《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》的影響力一開始就是跨學科的。例如1946~1953年間的以控制論為主題的跨學科梅西會議在1949年第6次會議時迅速改為以“控制論”為會議名稱。美國的社會各層也毫不遲疑地汲取了控制論的語言和思想，甚至融於文學作品中。

《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》是在多個學科基礎上相互滲透，精練和提純而形成的邊緣科學，這門科學一經創立，就用它獨有的嶄新的思想方法推動和促進自然科學、工程技術，以至社會科學、人文科學的發展和進步。在1948年《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》出版後，科學控制的深刻思想立刻引起了人們的重視和廣泛關注，以後控制論的思想和方法滲透到了幾乎所有的自然科學和社會科學領域，出現了用於工程技術的工程控制論，用於生物科學的生物控制論，用於經濟管理體系的“經濟控制論”等眾多分支。控制論中揭示的機器中的通信和控制機能與人的神經、感覺機能的共同規律，為現代科學技術研究提供了嶄新的科學方法，並從多方面突破了傳統思想的束縛，有力地促進了現代科學思維方式和當代哲學觀念的一系列變革。

作者簡介

諾伯特·維納（Norbert Wiener，1894~1964），美國數學家，哈佛大學哲學博士，並曾赴英、德兩國留學。長期任麻薩諸塞理工學院教授。曾被選為美國數學會主席。早期研究機率論和函式論。1935年曾應邀來華講學。在第二次世界大戰期間，將隨機過程理論用於火炮的自動控制系統。1948年前後，他和一些醫學、生物、數學和工程技術界的人員合作，提出了控制論，對現代計算、控制、通訊、自動化技術、生物學和醫學理論都有不同程度的影響。哲學上，自認為是一個存在主義者。著有《控制論：或關於在動物和機器中控制和通信的科學》、《控制論和社會》等。