维纳的控制论思想：起源、发展与展望

维纳的控制论思想：起源、发展与展望

控制论是一种研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是一种跨学科的理论，涉及工程学、数学、物理学、经济学、生物学等多个领域。控制论的核心思想是通过对系统的控制来达到某种目标。这一理论的创始人是诺伯特·维纳（Norbert Wiener），他在1948年发表了《控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学》一书，开创了这一领域。控制论的应用范围非常广泛，可以用于控制机器人、调节生态系统、管理企业等，甚至可以用于控制社会系统。它的思想和方法在过去几十年中渗透到了几乎所有的自然科学和社会科学领域。

何为控制论？

控制论是研究人机交互的一门学科，其指导原则是根据反馈、控制和通信的原理来研究多种不同类型的系统。该领域具有源自反馈控制和信息理论的定量成分，但主要是一种定性的分析工具，甚至可以说是一种技术哲学。控制论的特点是倾向于普遍化反馈的概念，将其视为技术世界的基本原则。密切相关的领域包括：信息理论、人因工程、系统理论。

Norbert Wiener通过他在1948年的著作《控制论：动物与机器中的控制与通信》创立了这一领域，阐述了通信和控制的结合，影响了一代工程师、系统理论家和各种技术爱好者。此后，控制论在全球范围内对多个学科产生了重要的思想影响，尽管作为一门学科本身仍不明确且分散，而且在主流学科分类渗透到了经济、技术甚至政治思想领域。也就是说，它对其他许多系统科学产生了巨大的影响，并且它帮助启动了一个贯穿现如今技术文化的话语权和世界观。

现代控制论地图

控制论的起源

二战中的萌芽

在二战初期，当Vannevar Bush于1940年发起了国防研究委员会（NDRC）时，他将其组织成不同的部门，其中之一致力于“火控”（fire control）。这涉及追踪目标（首先是光学追踪，然后是雷达），预测它们未来的位置，计算弹道并指导炮火摧毁目标的问题。这个问题最为紧迫和重要的形式是防空火控，而在之前的十年里，许多公司和实验室一直在致力于解决这个问题，但收效甚微。

Missiles and Fire Control

NDRC委托大学研究人员研究这个问题，其中之一就交给了Norbert Wiener。Wiener是一位才华横溢但古怪的麻省理工学院数学家，他已经在数学领域取得了成功，尤其是在调和（傅里叶）分析和随机过程等领域。对于NDRC，Wiener着手解决预测采取规避动作的飞机飞行轨迹的问题，他重新制定了这个问题，将其看作是基于其统计历史（自相关）的伪随机函数的未来值的预测。

Wiener的工作在战时问题上几乎没有应用，因为他提出的繁琐而复杂的解决方案计算成本太大，但确实促使他撰写了一篇重要的论文（平稳时间序列的插值、外推和平滑），为现代最优估计和信号处理的理论奠定了基础。在这篇论文中，Wiener在调和分析和运算微积分的基础上构建了一个平滑和预测“时间序列”的通用理论，即表示为离散数据系列的任何问题（包括经济和政策问题）。这种从具体的人机问题泛化到世界上任何可以表示为时间序列数据的方面的概念，为定义控制论的策略提供了早期的蓝图。在上世纪我国学者邓聚龙提出的“灰色预测”模型可以看作是维纳的算子化预测推广。

例如时间序列分析当中最简单的移动平均模型，现已成为预测股价的初级方法。

维纳的类比思考

尽管Wiener的时间序列研究在学术上很重要，但对战争努力几乎没有直接的应用。面对这种缺乏即时实用性的挫折，Wiener开始（事实上，他被迫）转向军事以外的领域。Wiener长期对生理学感兴趣，与合作者、医生Arturo Rosenblueth和神经学家Walter Cannon一起，他开始研究生理和神经反馈。

在1942年春季，Wiener的论文首次提到了人类思维作为反馈元素的概念，作为系统的一个组成部分（这个想法在控制工程师的研究中已经有所探讨）。Wiener将他对控制和通信机制在人类和机器中的伺服机械性质的理解置于控制论的核心，并且他的研究旨在将这一理解扩展到生物学、生理学和社会系统。在这个过程中，Wiener将他对控制和通信的理解从肌肉和神经的具体层面提升到了一个普遍层面，创造了一种不亚于技术伦理的道德哲学，并受到科学家和公众的热烈响应。

生物控制论的初等方法

Wiener努力将他的模型引入生理学家、医生和社会科学家的广泛群体。在他的领导下，一个名为“目的论学会”（Teleological Society）的非正式团体在1940年代开始会议，并在之后由梅西基金会支持的一系列会议中正式成立（被称为“梅西会议”）。

在这个团体中，一些理论家和思想家超越了统计控制理论，探讨了Wiener的思想的深远影响。生物学、生理学、人类学，甚至哲学和心理学，他们认为，所有这些领域都可以根据系统、反馈和信息传递的基本原理来理解。数字计算技术的新技术也引起了很大的兴奋，会议讨论了这些机器与人类思维的类比。与会者包括数学家如John von Neumann（计算机之父）和Claude Shannon（信息论之父），神经学家Warren McCulloch（神经网络发明者）等出众的科学家。

一般控制的方法论

控制理论的黑箱

在他的1948年著作《控制论》中，Wiener阐述了他对控制学科的新思考。他从希腊词汇中创造了这个术语Cybernetics，意为“舵手”，用来描述指导或引导技术或系统的原则。

Wiener声称自己是第一个将控制理论与通信理论统一起来的人，但在战争期间几年前，工程师们已经做到了。尽管如此，他确实清晰地表达了这一结合，并探讨了它对哲学、心理学和数学的影响。在《控制论》中，他提倡了我们现在看到的经典的“系统方法”——一切都可以被描述为一个系统，分解为具有输入和输出的“黑匣子”组件，然后使用信息流、噪声、反馈、稳定性等思想来理解。

Schematic representation of a black-box and a white-box method

Wiener将这种面向工程的立场与生理学家沃尔特·坎农等人在前几十年中在“稳态”和神经肌肉行为研究方面所发展的内容结合在一起。他还在新数字计算机的行为与人类神经系统之间做了类比，正是这种技术与生物学的类比构成了控制论的基础。Wiener在控制论方面的许多工作都集中在识别动物神经系统中类似伺服系统的行为上。

宏观的例子：鸟儿飞翔与飞机设计

控制对象的抽象化

Wiener的著作引起了热烈的反响，并使他成为一位公共知识分子——在战后的美国，他参与了关于技术未来以及自动化、计算机和机器人可能带来的影响的辩论，这在当时都是让人们略感焦虑的敏感话题。最初的《控制论》充满了晦涩且相对无关紧要的数学，让一般读者望而却步，因此他在书后推出了一本通俗的作品《人的使用》（The Human Use of Human Beings），在美国销售得很好。

The Human Use of Human Beings: 也有译作“人自有人的用处”，在这本书当中维纳详细探讨了通信和控制是不可避免地联系在一起的观点，并阐述了人类和机器等其他智慧体作为反熵过程的性质和意义。

在这个版本中，Wiener将他的思想与对核战争的担忧以及由机械和计算机主导的世界可能带来的可怕后果联系在一起。特别是二战期间原子弹轰炸广岛和长崎的事件使Wiener对军事产生了反感，这是一种具有讽刺意味的转变，因为控制论最具体的表现形式出现在制导导弹和指挥控制系统中。事实上，在美国流行文化中，控制论开始代表冷战思维，将计算机和自动化决策置于军事力量的中心。

The Atomic Bombing of Hiroshima and Nagasaki

与此同时，控制论也表现得非常灵活，具体来说是控制对象越来越抽象化，涉及从神经元行为到社会系统，从数字计算机到分析哲学，从视觉感知到技术失业的方方面面，以至于批评者开始质疑这个“新科学”太过于分散。Wiener的工作被一些其他思想家详细阐释并采纳，其中一些人将其放在更为严谨、专注的基础上。这些人包括Heinz von Forester、W. Ross Ashby和Ludwig von Bertalannfy，尽管这些细化使控制论转变为其他实体，最为显著的是一般系统理论，他们在Wiener最初的理念上发展创新。

控制思维的蓬勃发展

控制论在美国以外的地方也受到了热烈的欢迎，尽管结果各异。例如，在欧洲的法国，Wiener的书最初出版的地方，哲学家和科学家迅速开始辩论Wiener的思想。有些人怀疑，在控制论的发展中，是否存在一些“不恰当的关联”，“模糊的含义”和“神话般的统一”的构成。然而，控制论的统一理论的抱负在战后的法国有着很大的吸引力，尤其是因为它带有军事用途的信息理论、计算机科学和系统工程。

马歇尔计划不仅是经济上的援助，科技文化上也有同一的趋势

英国人Stafford Beer在1970年代将控制论的思想应用于管理智利经济，而智利的Maturana和Varela则基于控制论构建了他们关于生物体中的“自构成”的概念，这一概念与我们今天所说的“涌现”（Emergence）现象相似，指的是当许多小的个体相互作用后产生了大的整体，而这个整体展现了构成它的个体所不具备的新特性的现象。涌现是复杂系统的核心特征。发现复杂系统的涌现规律是复杂性科学的重要目标。举例来说，生命通过DNA编辑的蛋白质模型涌现后与环境相互作用，最终通过演化达到效率与稳定性的目的，不过在寒武纪大爆发后，作为高级物种之一的我们进化出了神经细胞，其通过独特排列方式的神经突触瞬间传输电脉冲信号并整合运算（犹如量子计算机式的并行运算）的机制让我们产生了对信息独特的理解与反馈方式，至此生命由自然演化优胜劣汰（死亡）的形式迈入神经网络学习的时代。

我们的智慧产生也归功于神经系统产生的“涌现”

在苏联，控制论的思想最初被拒绝为“资产阶级科学”，认为这是为了将所有科学置于资本主义控制之下。1953年10月，一位化名为“唯物主义者”的苏联批评家，在《控制论为谁服务？》（WhomDoes Cybernetics Serve?）一文中这样写道：“生产过程无需工人，只有被计算机的巨大的大脑控制的机器！没有罢工，更没有革命起义！机器代替了大脑，没有人的机器！”。这是上世纪50年代，苏联科学界对美国控制论思想的批判中非常流行的观点。他们认为控制论是“机械主义”的“反动的伪科学”，企图以智能机器人取代工人。而这在今年年初破圈的电子游戏《原子之心》（Atomic Heart）中，则成为了架空世界中的苏联对外输出工业力量的主要方式。这也说明了对控制论的看法需要实事求是，跟进时代潮流。

《原子之心》以架空世界为根据，苏联仍是社会主义强国，这是其中有名的芭蕾舞机器人双生舞伶

事实上，在真实世界中在斯大林去世后，即20世纪50年代末，苏联科学家也开始接受控制论。计算机科学家格鲁什科夫及其领导的控制论研究所提出的OGAS（国家自动化系统），这是一个与军用计算机网络分开的全国性计算机网络，其中包括数万个地方计算中心；分布在主要城市的30-50个中级计算中心；以及控制整个网络为政府服务的顶级中心。它们主要安置在各个工厂和经济部门当中，用以高速的汇总并交流全国经济数据。OGAS不只是一个简单的计算机网络，这实际上是一个统一的优化规划和管理制度，其中包含了苏联经济管理机构的全部操作。这个类似于“大集体神经网络”的全国总网系统是科学家“去中心化”的思考结果，是在当时经济政策下对苏维埃的政府系统的改革设计，因此在推进中遭遇了极大的官僚阻碍，最后整个计划也不了了之。

1964年OGAS三级网络的分布图

令人赞叹的是，苏联科学家在控制及动力系统等领域做出了十分出色的成果，这也许是以苏联电子信息工业的忽视为代价的。冷战期间苏联航空航天的蓬勃发展离不开控制理论的支持。

Propaganda posters of Soviet space program – Paulo Pedott

值得一提的是，俄罗斯数学家A.N.Kolmogorov独立地阐述了Wiener关于时间序列数据的工作。A.N.Kolmogorov是20世纪伟大的概率论学家，这也标志着随机数学开始进入控制论的框架当中。更进一步地，随机控制及其在金融学的应用在现代控制论当中占有浓墨重彩的一笔，以彭实戈院士为核心的山东大学金融数学团队在此领域做出了建设性的工作。

The Life and Work of Kolmogorov (Culture Math)

控制论的遗产与展望

思维领域的巧妙融合

《控制论》这本书以及与之相关的思维方式，阐述了一个统一信息学，生物学和机械制造工程的伟大愿景。在美国和其他国家，它的影响力很大，既因为其总体愿景，也因为一些具体的成果（如军事化武装等）。然而，人机类比的思维方式及其灵活的数学形式使得控制论既受到传统学科的阻力，又成为其发展创新力量的源泉。

如今，有些人将控制论视为人工智能、系统理论和计算机科学等领域的奠基者。在某种程度上这是正确的，尽管这些领域也有其他的根源。然而，控制论更多地代表了一种技术哲学，而不是一门学科：它更像是一种看待和处理通信、系统、控制以及人机交互的方式，而不是工程师可以用来分析或设计系统或机器的具体技术原则和实践。在这方面，它与诸如系统动力学、系统工程和系统分析等方法一直存在竞争关系，后者具有更狭窄的范围，因此拥有更具体的实践和成果。至今，IEEE的“系统、人和控制论”学会将其中一些方法纳入同一个专业标题和同名期刊下。

社会与工程领域的巨大启迪

控制论无疑影响了几代工程师，他们完全接受了其思想，并在50年代和60年代将控制论的理念体现在计算机、太空计划和生物学中（有观察者将美国肯尼迪时代的登月任务称为“控制论的终极成功”）。我们还可以在一般系统理论、系统工程等领域看到其影响。

阿姆斯特朗的第一小步，人类种群的一大步

在1960年代和70年代，受控制论启发的系统方法渗透到社会科学领域。控制论思维常常伴随着一种近似宗教狂热的情感，这两者都体现在围绕生态学的问题中，具有代表性的是上世纪60年代和70年代以及整个地球是一个具有相互依赖系统的生命有机体的盖亚假说。

盖亚假说(Gaia hypothesis)认为，生物体与地球上的无机环境相互作用，形成一个协同和自我调节的复杂系统，有助于维持和延续地球上的生命条件。这个假设是由化学家詹姆斯·洛夫洛克提出的， 他以希腊神话中地球的化身盖亚的名字命名了这个想法。

维纳与我们同在

控制论在计算机时代也以微妙的方式延续了下来。其最具有可追溯性和重要性的遗产之一是通过麻省理工学院的心理学家J.C.R.利克莱德而传承下来的。他参加了维纳组织的梅西会议。在1960年，他撰写了一篇具有开创性的论文，“人-计算机共生”（Man Computer Symbiosis），运用了控制论的思想，为未来交互式计算的发展制定了一条路线图。利克莱德后来成为DARPA信息处理技术办公室的创始主任。利克莱德的研究项目、他的控制论愿景以及他的门徒在形成人工智能、计算机图形学等领域中发挥了直接而关键的作用，随后建立了Arpanet，互联网的鼻祖。即使在现如今的计算机时代，当我们听到关于网络安全、网络货币以及网络战争的时候，诺伯特·维纳和控制论的遗产仍然与我们同在。

维纳与我们同在

参考资料

[1]Cybernetics,Knowledge domains in Engineering systems ,David A. Mindell

[2]Cybernetics: or Control and Communication in the Animal and the Machine, Norbert Wiener

[3]The Closed World: Computers and the Politics of Discourse in Cold War America,Edwards, Paul N.

[4]Man-Computer Symbiosis,Licklider, J. C. R.