Anton Reutlinger - Kognitive Kybernetik

Jedes kybernetische System ist prinzipiell ein Kommunikationssystem. Es ist zusammengesetzt aus einem Signalerzeuger, der Signalstrecke, einem Signalfilter und dem Signalempfänger. Das Signal kann beispielsweise die Lufttemperatur sein wie bei einem Heizungssystem und der physische Signalträger ist dann Heißwasser oder Heißluft. Wenn variable Signalempfänger zu bedienen sind, dann ist ein Regelungssystem notwendig, vor allem auch dann, wenn Störungen auf der Signalstrecke eine unvorhersehbare Filterung des Signals bewirken. Ein aktiver, also steuerbarer Signalfilter als Regler, ermöglicht die Bedienung unterschiedlicher Signalempfänger bzw. unterschiedliche oder variable Bedürfnisse der Signalempfänger. Dazu muss beim Signalempfänger die Signalwirkung gemessen und gegebenenfalls mit dem Bedürfnis verglichen werden. Das besorgt beim Thermostat das Thermometer.

Die Architektur technischer Kommunikationssysteme, besonders Computernetzwerke, wird beschrieben durch das weltweit standardisierte, sogenannte 7-Schichtenmodell mit den drei Hauptschichten Transportschicht, Netzwerkschicht und Anwendungsschicht. Anwendungen in vernetzten Kommunikationssystemen, wie die menschliche Sprache, integrieren und erstrecken sich über alle Schichten, von der physischen Schicht der den Schall übertragenden Luft bis zu den Bedeutungen der sprachlichen Begriffe und den Deutungen der Aussagen. Eine umfassende Kommunikationstheorie ist daher nicht möglich, denn sie müsste annähernd eine "great unified theory" der Welt sein, da alles Geschehen der Welt Kommunikation ist, jeweils auf unterschiedlichen Betrachtungs- oder Aggregationsebenen, vom Menschen über technische Systeme, über Moleküle und Atome als Kommunikationssysteme bis zu den Elementarteilchen. An jeder Kommunikation zwischen Lebewesen sind alle niedrigeren Betrachtungsebenen beteiligt. Das Schichtenmodell ist eine starke Vereinfachung, weil sie sich jeweils nur auf eine bestimmte der Aggregations- oder Systemebenen bezieht und die übrigen ausblendet. Durch die Modularität des Schichtenmodells wird eine hohe Flexibilität in Form eines Baukastensystems erreicht, so dass Anwendungen auf verschiedenen Übertragungsmedien eingesetzt werden können, ohne dafür von Grund auf neu konstruiert werden zu müssen. Die Transportschicht beschreibt das physikalische Übertragungsmedium mit der passenden Kodierung der Signale, Datenorganisation, Paketierung und Steuerung der Übertragung zwischen zwei unmittelbar oder physisch verbundenen Punkten. Die Netzwerkschicht beschreibt die Funktionen und Protokolle für Verbindungsaufbau und -abbau, die notwendig sind zur Adressierung von Knoten, Vermittlung in strukturierten Netzen, Koordination, Steuerung, Sicherung und Kontrolle der anwendungsneutralen Übertragung von Datenpaketen zwischen den Punkten eines Netzwerkes. Die Anwendungs­schicht schließlich beinhaltet die Kodierung, Darstellungsweise und Bedeutung der Zeichen sowie Konventionen der Kommunikationspartner zur Verständigung und einige typische Funktionen zur Datenübertragung zwischen Anwendungen auf verschiedenen Netzwerkknoten oder Kommunikations- und Rechnersystemen. Programme der Anwendungsschicht benutzen Funktionen der Netzwerk­schicht, so wie deren Dienstprogramme die Funktionen der Transport­schicht nutzen.

Für die Übertragung zwischen Sensoren und zentraler Verarbeitungs­einheit bzw. zwischen Verarbeitungseinheit und Aktoren kommen verschiedene Strategien zur Anwendung: die fortlaufende Übertragung eines Zustandes mit festgelegten Übertragungsintervallen oder die bedarfsgesteuerte Übertragung aktueller Zustandsänderungen. Die Auswahl ist abhängig von den Voraussetzungen und Eigenschaften des Systems und der eingesetzten Technologien - z.B. "Eigenintelligenz" der Teilsysteme und Übertragungs- und Verarbeitungskapazitäten - sowie den Auswirkungen auf und Anforderungen an das System wie Wirksamkeit, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit. Die Auswirkungen der gewählten Strategie und ihrer Parameter auf die Kybernetik des Systems prägen sein dynamisches Verhalten und tragen zur Komplexität bei. Vor- und Nachteile sind in jedem Anwendungsfall zu bewerten.

Die Qualität eines Regelungssystems ist sehr stark von zwei Parametern abhängig: der Sensibilität bzw. Zeitdauer zur Erkennung einer Abweichung vom Sollwert und der Zeitdauer für die Reaktion des Stellgliedes bis zur Wirkung auf die Regelgröße. Beide Parameter sind entscheidend von der Anzahl der Messungen, mit andern Worten der Durchläufe der Rückkopplungsschleife, pro Zeitintervall abhängig. Zusammen bestimmen diese Parameter das dynamische Verhalten jedes Regelungssystems. Im ungünstigen Fall können Abweichung und Reaktion sich gegenseitig so aufschaukeln, dass es zu chaotischem Verhalten oder sogar zur Zerstörung des geregelten Systems kommt. Ursachen dafür sind Zeitverzögerungen im Regelkreis durch Laufzeiten und Speichereffekte. Um dies zu verhindern, kann die Reaktion des Reglers auf verschiedene Arten bestimmt werden: proportional zur gemessenen Abweichung, zur über ein Zeitintervall gemittelten Abweichung und schließlich zur Änderungsschnelligkeit der Regelgröße: Proportional-, Integral- und Differentialregelung. Noch effektiver als die nachlaufenden Formen der Regelung ist eine vorausschauende Regelung, was bei häufig wiederkehrenden, wie schwingenden und statistisch erfassbaren Ereignissen möglich ist. In Einzelfällen ist eine Übersteuerung der Fremdeinflüsse machbar, die allerdings sehr energieaufwendig sein kann, wenn die Sollgröße außerhalb des ungeregelten Schwankungsbereiches liegt. Diese kybernetisch interessante Strategie wird in technischen Systemen daher relativ selten eingesetzt, während sie in biologischen Systemen die Überlebenswahrscheinlichkeit beträchtlich erhöhen kann bei ausreichend vorhandenem Energieangebot. Das markanteste Beispiel dafür sind die von Temperaturschwankungen unabhängigen Warmblüter. Wenn die Sollgröße innerhalb des ungeregelten Schwankungsbereiches liegt, dann ist dagegen eine technisch aufwendigere Zwei-Wege-Regelung - z.B. Heizung-Kühlung oder beschleunigen-bremsen - erforderlich. In jedem Fall ist die Schnelligkeit der eingesetzten Teilsysteme von ausschlaggebender Bedeutung für eine Regelung in Echtzeit oder Nahzeit.

Roboterarme werden im allgemeinen von einem Computer gesteuert, der a priori nichts über den Roboter weiß. Er kennt weder die Eigenschaften des Materials, noch die der Struktur, noch die Möglichkeiten und Grenzen seiner Bewegungen. Der Vorteil ist die universelle Verwendbarkeit des Computers wie die des Roboters, der Nachteil ist die Notwendigkeit der spezifischen Anpassung, d.h. der Programmierung, die entsprechend umfangreich ist, sowohl in der Konstruktion als auch im Betrieb. Dagegen sind die Steuerung und die Motorik von Lebewesen in Koevolution, gemeinsam im Verlauf der Phylogenese durch millionenfache Variation und Selektion entstanden, so dass sie a priori aufeinander abgestimmt sind. Eine Fülle von Informationen, die dem Computer explizit und mühsam einprogrammiert werden müssen, sind hier implizit und versteckt fest eingebaut oder hardwired. So haben weder der Roboter noch der Computer ein "Gefühl" für die allgegenwärtige Schwerkraft. Charakteristikum des Computers ist die Trennung von Datenspeicher und Prozessor - die sogenannte Von-Neumann-Architektur - und die Invarianz der Menge seiner inneren Systemzustände, um die ökonomisch begründete Wiederverwendbarkeit und Mehrfachverwendbarkeit zu erreichen.

Technische Systeme unterscheiden sich von natürlichen Systemen unter anderem dadurch, dass sie ein- und ausgeschaltet werden können, dass ihr Zustand also jederzeit wieder auf einen bekannten Anfangszustand gesetzt werden kann. Beim Abschalten oder Abstürzen eines Computers sind außer den Daten auf Platten­speichern nur die wenigen system­spezifischen und für den Start eines Computers notwendigen Daten, die in einem batteriegespeisten oder einem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher aufbewahrt sind, nicht verloren. Daraus ergibt sich eine zwingende und fundamentale Konsequenz: das technische System muss gegen Unterbrechungen und Störungen gesichert werden und es muss den zweckgemäßen Betrieb nach einer Unter­brechung wieder aufnehmen können, indem es einen kontrollierten Zustand einnimmt. In der Regel muss es den Zustand einnehmen, den es vor der Unterbrechung hatte. Das bedeutet nichts anderes, als dass ein technisches System ein kontrollierendes Metasystem - das Objekt der Kybernetik - erfordert, das oftmals selbst wieder ein technisches System mit der Fähigkeit zu autonomen Entscheidungen oder das letztlich der Mensch ist. Das kontrollierende Metasystem dient einem weiteren Zweck, nämlich der Justierung, dem Tuning und der Kalibrierung sowohl in Steuerungs- als auch in Regelungssystemen und es erfordert eine eigene Rück­kopplungsschleife. Die leicht erkennbare Konsequenz ist eine Endlos­kette von Metainstanzen, die nur vom Menschen abgeschlossen werden kann.