Economics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Economics
标  题: 第一章　　历史上的控制论
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Wed Oct 13 17:18:34 2004)

第一章:历史上的控制论

　　自从第二次世界大战结束以来，我一直在信息论的许多分支中进行研究。除了有关消

息传递的电工理论外，信息论还有一个更加广大的领域，它不仅包括了语言的研究，而且

包括了消息作为机器的和社会的控制手段的研究，包括了计算机和其他诸如此类的自动机

的发展，包括了心理学
和神经系统的某些考虑以及一个新的带有试行性质的科学方法论在内。这个范围更加广大

的信息论乃是一种几率性的理论，乃是W．吉布斯所开创的思潮的固有部分，这我在序言

中已经讲过了。

　　直到最近，还没有现成的字眼来表达这一复合观念，为了要用一个单词来概括这一整

个领域，我觉得非去创造一个新词不可。于是，有了“控制论”一词，它是我从希腊字
Ku
bernetes或“舵手”推究出来的，而英文“governer”（管理人）一字也就是这个希腊字

的最后引申。后来我偶然发现，这个字早被安培（AmPere）用到政治科学方面了，同时还

被一位波兰科学家从另一角度引用过，两者使用的时间都在十九世纪初期。

　　我曾经写过一本多少是专门性质的著作，题为《控制论》，发表于1948年。为了应大

　　我曾经写过一本多少是专门性质的著作，题为《控制论》，发表于1948年。为了应大

家的要求，使控制论的观念能为一般人所接受，我在1950年发表了《人有人的用处》一书

初版。从那时到现在，这门学科已经从申农（Claude Shannon）、韦佛（Warren
Weaver）两位博士和我共同提出的为数不多的几个观念发展成为一个确定的研究领域了。

所以，我趁重版本书的机会，把它改写得合乎最新的情况，同时删掉原书结构中的若干缺

点和前后不一致的地方。

　　在初版所给出的关于控制论的定义中，我把通讯和控制归为一类。我为什么这样做呢

，当我和别人通讯时，我给他一个消息，而当他给我回讯时，他送回一个相关的消息，这

个消息包含着首先是他理解的而不是我理解的信息。当我去控制别人的行动时，我得给他

通个消息，尽管这个消
息是命令式的，但其发送的技术与报道事实的技术并无不同。何况，如果要使我的控制成

为有效，我就必须审理来自他那边的任何消息，这些消息表明命令之被理解与否和它已被

执行了没有。

　　本书的主题在于阐明我们只能通过消息的研究和社会通讯设备的研究来理解社会；阐

明在这些消息和通讯设备的未来发展中，人与机器之间、机器与人之间以及机器与机器之

间的消息，势必要在社会中占居日益重要的地位。

　　当我给机器发出一道命令时，这情况和我给人发出一道命令的情况并无本质的不同。

换言之，就我的意识范围而言，我所知道的只是发出的命令和送回的应答信号。对我个人

说来，信号在其中介阶段是通过一部机器抑是通过一个人，这桩事情是无关紧要的，而且

，在任何情况下，它都
，在任何情况下，它都
不会使我跟信号的关系发生太大的变化。因此，工程上的控制理论，不论是人的、动物的

或是机械的，都是信息论的组成部分。

　　当然，在消息中和在控制问题中都有种种细节的差异，这不仅在生命体和机器之间如

此，而且在它们各自更小的范围里也是如此。控制论的目的就在于发展语言和种种技术，

使我们能够真正地解决控制和通讯的一般问题，但它也要在某些概念的指导之下找到一套

专用的思想和技术来区
分控制和通讯的种种特殊表现形式的。

　　我们用来控制我们环境的命令都是我们给予环境的信息。这些命令，和任何形式的信

息一样，要在传输的过程中解体。它们一般是以不太清晰的形式到达的，当然不会比它们

发送出来的时候更加清晰。在控制和通讯中，我们一定要和组织性降低与含义受损的自然

趋势作斗争，亦即要和
吉布斯所讲的增熵趋势作斗争。　　本书有很多地方谈到个体内部和个体之间的通讯限度

。人是束缚在他自己的感官所能知觉到的世界中的。举凡他所收到的信息都得通过他的大

脑和神经系统来进行调整，只在经过存贮、核对和选择的特定过程之后，它才进入效应器

，一般是他的肌肉。这
些效应器又作用于外界，同时通过运动感觉器官末梢这类成受器再反作用于中枢神经系统

，而运动感觉器官所收到的信息又和他过去存游的信息结合在一起去影响未来的行动。

　　信息这个名称的内容就是我们对外界进行调节并使我们的调节为外界所了解时而与外

界交换来的东西。接收信息和使用信息的过程就是我们对外界环境中的种种偶然性进行调

界交换来的东西。接收信息和使用信息的过程就是我们对外界环境中的种种偶然性进行调

节并在该环境中有效地生活着的过程。现代生活的种种需要及其复杂性对信息过程提出了

前所未有的高度要求，
我们的出版社、博物馆、科学实验室、大学、图书馆和教科书都不得不去满足该过程的种

种需要，否则就会失去它们存在的目的。所谓有效地生活就是拥有足够的信息来生活。由

此可知，通讯和控制之作为个人内在生活的本质就跟它们之作为个人社会生活的本质一样

。

　　通讯问题的研究在科学史上所处的地位既非微不足道和碰巧做出的，也不是什么空前

的创举。远在牛顿之前，这类问题就在物理学中，特别是在费尔马（Fermat）、惠更斯（

Huggens）和莱布尼兹（Leibnitz）的工作中流行开了;他们这几位都对物理学感到兴趣，

而他们兴趣的集中所在
，不是力学，而是光学，即关于视觉映象的传递问题。

　　费尔马以其最小化（minimization）原理推进了光学的研究，这个原理说，在光程的

任意一段足够短的区间上，光是以最少的时间通过的。惠更斯提出了现在称之为“惠更斯

原理”的草创形式，这个原理说，光从一光源向外传播时，便在此光源的周围形成某种类

似于一个小球面的东西
，它由次级光源组成，而次级光源的光接下去的传播方式和初级光源的传播方式完全相同

。莱布尼兹则从另一方面把整个世界看成一种称之为“单子”的实体的集合，单子的活动

就是在上帝安排的预定谐和的基础上相互知觉，而且，非常清楚，莱布尼兹主要是用光学

术语来考虑这种相互作
用的。除了这种知觉外，单子没有“窗户”，因此，依据莱布尼兹的见解，一切机械的相

用的。除了这种知觉外，单子没有“窗户”，因此，依据莱布尼兹的见解，一切机械的相

互作用实际上都只不过是光学上的相互作用的微妙推论而已。

　　在莱布尼兹这方面的哲学中，处处都表现出了作者对于光学和消息的偏爱。这种偏爱

在他的两个最根本的观念中充分体现出来，这两个观念就是：Characteristica
Universalis，或普适科学语言； Calculus Ratiocinator，或逻辑演算。这个
Calculus Ratioci－nator
在当时虽然并不完善，但却是现代数理逻辑的直系祖先。

　　受着通讯思想支配的莱布尼兹在许多方面都是本书思想的知识前驱，因为他对机器计

算和自动机也感到兴趣。在本书中，我的种种见解和莱布尼兹的见解相距很远，但是，我

所讨论的问题却是道道地地的莱布尼兹的问题。莱布尼兹的计算机器只不过是他对计算语

言即推理演算感到兴趣
的一种表现，而推理演算，在他的心目中，又只不过是他的全部人造语言这一思想的推广

。由此可知，即使是他的计算机器，莱布尼兹所偏爱的也主要是语言和通讯。

　　到了上一世纪中叶，C．麦克斯韦及其先驱者法拉第（Faraday）的工作再次引起了物

理学家对于光学的注意；人们这时把光看作电的一种形式，而电又可以归结为某种媒质的

机制，它是奇怪的、坚硬的但肉眼看不见的东西，叫做以太。在当时，人们假定以太是弥

漫在大气中、星际空间
中和一切透明物质中的。c．麦克斯韦的光学工作就在于数学地发展了以前法拉第令人信

服的但不是数学形式表示出来的思想。见太的研究向人提出了其答案都很含糊的若干问题

，例如，通过以太的物质运动问题。迈克耳逊（Michel
，例如，通过以太的物质运动问题。迈克耳逊（Michel
son）和莫莱（Morley）在九十年代的著名实验就是为了解决这个问题而进行的，实验给

出了完全意想不到的答案：绝对无法证明通过以太的物质运动。

　　对于这个实验所提出的种种问题，第一次作出满意解答的乃是洛伦兹（LorentZ）的

解答。洛伦兹指出：要是我们把那些使物质结合起来的力本身看成是电学性质的或光学性

质的，那我们就应该从迈克再逊一莫莱实验预期到反面的结果。然而，在1905年，爱因斯

坦把洛伦兹的这些思想
翻改成为如下的形式：绝对运动的不可观测性与其说是物质的任何特殊结构所决定的，不

如说是物理学上的一项公设。就我们的角度看来，在爱因斯坦的工作中，重要之点是，光

和物质处于同等的地位，这和牛顿以前的著作所提出的观点相同，而不是象牛顿那样地把

所有东西都隶属于物质
和力学。

　　爱因斯坦在阐释自己的见解时，把观测者作了多种多样的使用：观测者既可以是静止

的，也可以是运动着的。在爱因斯坦的相对论中，如果不同时引进消息的观念，如果事实

上不重新强调物理学的准莱布尼兹状态（其倾向还是光学的），那就不可能把观测者引进

来。爱因斯坦的相对论
和吉布斯的统计力学乃是截然不同的东西。爱因斯坦基本上还是使用绝对严格的动力学术

语来探讨问题的，并没有引进几率观念，这和牛顿相同。与此相反，吉布斯的工作从第一

步起就是几率性的。然而，这两个人的工作方向都代表了物理学观点的更替，即在某种意

义说来，用观测时方才
存在的世界来代替实际存在的世界，而物理学上古老的朴素实在论则让位给某种也许会使

存在的世界来代替实际存在的世界，而物理学上古老的朴素实在论则让位给某种也许会使

巴克莱大主教眉开眼笑的东西了。

　　在这个地方，讨论一下本书序言中曾经提到的与熵有关的若干概念，对我们说来是恰

当的。如前所述，熵的观念代表了吉布斯力学和牛顿力学之间的几个极为重要的分歧。在

吉布斯的观点中，我们有一个物理量，它不属于我们这个外在世界，而属于一组可能的外

在世界，因而它出现于
我们对这个外在世界所能提出的若干特定问题的答案中。物理学现在不去探讨那个可以看

作全面答复全部有关问题的外在宇宙了，它变成了对于某些极为有限的问题作出答案的帐

单。事实上，我们现在研究的东西和我们可以收进并发出的一切可能的输入和输出的稍息

毫无关系，我们所关心
的只是极为特殊的输入和输出的消息理论，包括这类消息只给我们有限信息量的测量方法

在内。

　　招息自身就是模式和组织的一种形式。的确，我们可以把消息集会看作其中有熵的东

西，就象我们对待外在世界状态的集会一样。正如熵是组织解体的量度，消息集合所具有

的信息则是该集合的组织性的量度。事实上，一个消息所具有的信息本质上可见解释作该

消息的负熵，解释作该
消息的几率的负对数。这也就是说，愈是可见的消息，提供的信息就愈少。例如，陈词滥

调的意义就不如伟大的诗篇。

　　我已经提到莱布尼兹对于自动机的兴趣，这个兴趣曾经碰巧被他的同时代人巴斯卡（

Pascal）分享过，巴斯卡对于我们现在称之为台式加法机的发展有过真正的贡献。莱布尼

Pascal）分享过，巴斯卡对于我们现在称之为台式加法机的发展有过真正的贡献。莱布尼

兹把调准在同一时刻的时钟给出时间的一致性看作单子预定谐和的模型。这是因为，体现

他那个时代的自动机技
术就是钟表匠的技术。我们不妨考察一下在八音盒顶上跳着舞的小人儿的动作。它们是按

照模式而运动的，但这个模式是预先安排的，而小人儿的过去活动对并未来活动的模式实

际无关。它们偏离原定模式的几率等于零。的确，这里也有消息的传递，但消息只从八音

盒的机械装置传给小人
儿，到此就停住了。除了和八音盒预定谐和的机构发生上述单向的通讯外，小人儿自身并

没有和外界通讯的痕迹。它们都是又瞎又聋而又哑的东西。一点儿也离不开约定化了模式

而改变其活动的。

　　把它们的行为和人的行为或者任何确具中等智力的动物的行为例如一只小猫的行为作

个比较。我叫唤小猫，它就抬头看我。我发给它一个消息，它用它的感官来接收，这从它

的行动中可以看出。小猫饿了，因而发出悲鸣。这时它是消息的发送者。小猫在摆弄一个

悬吊着的小线球时，当
球摆向左边，小猫就用左爪去抓它。这时，在小猫自己的神经系统之内，通过它的关节、

肌肉和健等某些神经末梢，既发送又接收着性质非常复杂的消息；借助这些器官发出的神

经消息，动物便能觉察到自己组织的实际位置及其张力。只有通过这些器官，人的手工技

巧这一类东西方是可能
的。

　　我已经把八音盒上小人儿的预先安排好的行为作为一方，又把人和动物的因事而异的

行为作为另一方，进行过一番比较。但是，我们一定不要把八音盒设想作一切机器行为的

行为作为另一方，进行过一番比较。但是，我们一定不要把八音盒设想作一切机器行为的

典型。

　　比较古老的机器，特别是比较古老的制造自动机的种种尝试，事实上都是在闭合式钟

表的基础上搞起来的。但是，现代自动机器，诸如自控导弹、近炸信管、自动开门装置、

化工厂的控制仪器以及执行军事或工业职能的其他现代自动机器装备，都是具有感觉器官

的，亦即具有接收外界
消息的接收器。它们可以简单得象光电管那样，当光落在它们上面时就发生电变化，从而

能够在暗处识别光；也可以复杂得象一架电视机那样。它们可以从一根受到张力作用的导

线所产生的电导率变化来测定张力，也可以借助温差电偶（这种仪器是由两种不同的金属

片的相互接触来构成的
，当接触点之一加热时就有电流产生）来测量温度。在科学仪器制造者的宝库中，每种仪

器都是一个可能的感觉器官，都可以通过专用电子仪器的介入从远处把它的读数记录下来

。由此可知，这类机器是受到它与外界的关系所制约的，从而也受到外界所发生的事件的

制约。我们现在有这种
机器，而且从某个时候起就已经有了。

　　借助消息而作用于外界的机器也是常见的。自动光电开门装置是每个经过纽约宾夕法

尼亚车站的人都知道的东西，这类装置同样也用在许多别的建筑物里。当一束光线被截断

的消息送到仪器时，这个消息刺激门并使它打开，于是旅客得以通行了。

　　以这种类型的用感官来激励的机器到执行某项任务的机器，其间有许多步骤，或者简

单得象电门的情况那样，或者具有我们工程技术限度之内的事实上是具有任意复杂程度的

单得象电门的情况那样，或者具有我们工程技术限度之内的事实上是具有任意复杂程度的

机器。一个复杂的动作乃是这样一种动作：为了取得对于外界的一种影响（我们称之为输

出），而在这种动作中
引入了可以含有大量组合的数据（我们称之为输入）。这些组合既有当下放进的数据，又

有从过去存贮的数据（我们称之为记忆件取出的纪录。这些组合都记录在机器中。迄今已

经制成的最复杂的、能把输入数据变成输出数据的机器就是快速电子计算机，对于这种机

器，我打算在后面比较
详细地谈论它。这些机器的行为样式是由特种输入来决定的，这种输入往往是用穿孔卡片

、穿孔纸带或磁化导线来构成，它决定机器据以进行的某种不同于过去所进行的操作方式

。在控制中，由于经常使用穿孔带或磁带，所以，放进这些机器中用以指示机器组合信息

的操作方式的数据，统
称为程序带。

　　我讲过，人和动物都有运动感觉，它们就是据此来保持自己肌肉的位置和张力的纪录

。为了使任何机器能对变动不居的外环境作出有效的动作，那就必须把它自己动作后果的

信息作为使它继续动作下去所需的信息的组成部分再提供给它。举例说，当我们操纵着一

架电梯时，只打开电梯
栏的栅门是不够的，因为我们所给的命令应该使电梯在我们开栅门的时候恰好到达门前。

重要之点是，开门的释放机械要由电梯实际到达门前这一事实来决定，否则，要是没有什

么东西挡住电梯的话，乘客就会踏进空阱里去。这种以机器的实际演绩（actual
Performance）而非以其预期演绩（expected
Performance）为依据的控制就是反馈；机器作这种控制时需要使用种种感觉元件，这些

感觉元件由起动元件来激发，它们执行着预报器或监视器的职务，亦即执行着对一项演绩

感觉元件由起动元件来激发，它们执行着预报器或监视器的职务，亦即执行着对一项演绩

作出指示的职务。正是这些机构的职能使组织解体的力学趋势变到控制，亦即它们使熵的

正常方向发生了暂时的
和局部的逆转。

　　我刚才提到了电梯作为反馈的一例。还有其他许多例子，其反馈的重要性更为显著。

例如，大炮瞄准手从他的观测仪取得信息，然后把它传给大炮，于是大炮便向某个方向瞄

准并使炮弹在一定时刻击中活靶。但是，大炮是要在一切气候条件下使用的。在某种气候

条件下，滑润油暖化了
，大炮就转动得很灵快。在另外一些气候条件下，滑润油冻住了或是掺进沙子了，那么，

大炮回答我们的命令就会慢一些。当大炮对我们的命令应答不灵，滞后于命令时，要是我

们给它一个补充推进以加强这些命令，则瞄准手的误差就会减低下来。通常，为了取得尽

可能准确的演绩，我们
便给大炮加上一个反馈控制元件，把大炮滞后于指定位置的程度纪录下来，再利用这个差

数给大炮以一个补充的推进。

　　的确，我们必须采取预防措施来使这个推进不至于过猛，如果过猛，大炮就会越过指

定的位置，势必还要通过一系列的振荡才能把它拉回来，这个振荡可能变得愈来愈大，这

便导致了严重的不稳定。如果反馈系统自身是可控的，换言之，如果它自身的熵趋势还可

以用其他控制机构来遏
制，并且保持在足够严格的限度之内，那么，上述情况就不会发生，而反馈的存在就增加

了大炮演绩的稳定性。换言之，大炮的演绩很摩擦负载的关系就很少，或者也可以这样说

，大炮的演绩不因滑润油的粘结而产生滞延。
，大炮的演绩不因滑润油的粘结而产生滞延。

　　在人的活动中存在着与上述情况非常相似的东西。当我去取一根雪茄，我不是有意使

用某些特定肌肉的。在许多情况下，我的确不知道它们是哪些肌肉。我所做的只不过使某

一反馈机制亦即某一反射发生作用，其中我尚未取得雪茄的效果变成对滞后的肌肉（不管

是什么肌肉）一个新的
、加强的命合。按照这个办法，一个前后完全同一的随意命会就可以使我们从各种各样的

初始位置出发来完成相同的任务，而与由于肌肉的疲劳所引起的伸缩能力的降低无关。同

样，当我驾驶一辆汽李，我对车辆所作的一系列控制不是单纯取决于我对道路的印象以及

我对之要做的驾驶工作
。要是我发现车辆太偏向公路右边了，这个发现就会使我把它驶向左边。这种控制是取决

于车辆的实际演绩的，不单是取决于公路的情况；正是这种控制办法使我可以用大体相同

的效率来驾驶一辆轻便的奥斯汀骄车或者驾驶一辆重型卡车，用不着为了驾驶这两者而去

形成不同的驾驶习惯。
我在本书专门讨论机器的一章里将更多地讲到这个问题，我们将在该处讨论到，研究演绩

有缺陷的、类似于人的机制中所发生的缺陷的机器可以对神经病理学作出贡献。

　　我的论点是：生命个体的生理活动和某些较新型的通讯机器的操作，在它们通过反馈

来控制熵的类似企图上，二者完全相当。它们都有感觉接收器作为它们循环操作中的一个

环节：也就是说，二者都以低能级的特殊仪器来搜集外界的信息并以之用于操作中。在这

两种情况下，外界消息
都不是不折不扣地（neat）取得的，它要通过仪器内部的变换能力采取得，不论这个仪器

是活的还是死的。然后，信息才转换为可用于以后各个阶段演绩的新形式。这种演绩在动

两种情况下，外界消息
物和机器中都是有效于外界的。在动物和机器中，回报到中枢调节器的，并非只有它们对

于外界打算做的活动，
还有它们对于外界运演过的活动。行为的这种复杂性没有被一般人所了解，尤其没有在我

们对社会的日常分析中起到应起的作用；虽则从这个观点出发，正如个体的生理反应可以

因之得到理解那样，社会自身的有机反应也可以因之得到理解。我的意思并不是说，社会

学家没有认识到社会通
讯的存在及其复杂性，但是，社会学家直到最近都有这样的倾向，故意忽视社会通讯是社

会这个建筑物得以粘合在一起的混凝土。

　　我们在本章中提出一组复杂的、直到最近都还没有充分联系起来的观念。它们是：吉

布斯引进的作为传统牛顿约定之修正的物理学上的偶然性观点；奥古斯汀根据这种偶然性

而要求于秩序和我们行为的态度；一个人与人之间、机器与机器之间以及社会作为时间事

件序列的通讯理论，序
列自身虽然具有某种偶然性，但它总是力图按照各种不同目的来调节其各个组成部分以遏

制秩序紊乱的自然倾向。现在看来，这些观念基本上是统一的。
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║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
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