Черный ящик - Black box

Системы черного ящика
Blackbox.svg
Система
Черный ящик  · машина Oracle
Методы и приемы
Тестирование черного ящика  · Blackboxing
Связанные методы
Прямая связь  · Обфускация  · Распознавание образов  · Белый ящик  · Тестирование белого ящика  · Идентификация системы
Основы
Априорная информация  · Системы управления  · Открытые системы  · Исследование операций  · Термодинамические системы

В науке, вычислениях и технике черный ящик - это система, которую можно рассматривать с точки зрения ее входов и выходов (или передаточных характеристик ), не зная о ее внутренней работе. Его реализация «непрозрачная» (черная). Этот термин может использоваться для обозначения многих внутренних механизмов, таких как транзистор , двигатель , алгоритм , человеческий мозг , учреждение или правительство.

Чтобы проанализировать открытую систему с помощью типичного «подхода черного ящика», будет учитываться только поведение стимула / реакции, чтобы вывести (неизвестный) ящик . Обычное представление этой системы черного ящика - это диаграмма потока данных с центром в ящике.

Противоположность черному ящику - это система, в которой для проверки доступны внутренние компоненты или логика, которую чаще всего называют белым ящиком (иногда также известным как «прозрачный ящик» или «стеклянный ящик»).

История

Модель черного ящика может использоваться для описания результатов работы систем.

Современное значение термина «черный ящик», похоже, вошло в английский язык примерно в 1945 году. В теории электронных схем процесс синтеза сети из передаточных функций , который привел к тому, что электронные схемы стали рассматриваться как «черные ящики», характеризуемые их реакцией на сигналы, применяемые к их портам , можно проследить до Вильгельма Кауэра, который опубликовал свои идеи в наиболее развитой форме в 1941 году. Хотя Кауэр сам не использовал этот термин, другие, последовавшие за ним, определенно описали этот метод как анализ черного ящика. Витольд Белевич излагает концепцию черных ящиков еще раньше, приписывая явное использование двухпортовых сетей в качестве черных ящиков Францу Брейзигу в 1921 году и утверждает, что до этого двухполюсные компоненты неявно рассматривались как черные ящики.

В кибернетике полное рассмотрение было дано Россом Эшби в 1956 году. Черный ящик был описан Норбертом Винером в 1961 году как неизвестная система, которая должна была быть идентифицирована с помощью методов идентификации системы . Он видел первый шаг в самоорганизации как возможность копировать поведение вывода черного ящика. Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге , использовали и усовершенствовали теорию черного ящика в 1960-х годах.

Системная теория

Теория открытых систем является основой теории черного ящика . Оба они сосредоточены на входных и выходных потоках, представляя обмены с окружением.

В теории систем , то черный ящик есть абстракция , представляющая класс конкретной открытой системы , которая может рассматриваться исключительно с точки зрения его стимулов входов и выходов реакций :

Строение и структура ящика совершенно не имеют отношения к рассматриваемому подходу, который является чисто внешним или феноменологическим. Другими словами, будет учитываться только поведение системы.

Понимание черного ящика на основе «принципа объяснения», по гипотезе о наличии причинно - следственной связи между входом и выходом . Этот принцип гласит, что вход и выход различны, что система имеет наблюдаемые (и связанные) входы и выходы и что система является черной для наблюдателя (не открывается).

Запись наблюдаемых состояний

Наблюдатель проводит наблюдения за течением времени. Все наблюдения входов и выходов черного ящика можно записать в таблицу, в которой в каждый период времени записываются состояния различных частей ящика , входов и выходов. Таким образом, используя пример от Эшби , исследование коробки, упавшей с летающей тарелки, может привести к следующему протоколу:

Время Состояния ввода и вывода
11:18 Я ничего не сделал - Box издавал устойчивый гул с частотой 240 Гц.
11:19 Я нажал на переключатель с надписью K: нота повысилась до 480 Гц и осталась стабильной.
11:20 Я случайно нажал кнопку с надписью «!» - температура ящика увеличилась на 20 ° C.
11:21 И т.п.

Таким образом, каждая система, по сути, исследуется с помощью набора длинных протоколов, растянутых во времени, показывающих последовательность состояний входа и выхода. Из этого следует фундаментальный вывод, что все знания, которые можно получить из Черного ящика (о заданных входных и выходных данных), являются такими, которые могут быть получены путем перекодирования протокола ( таблицы наблюдений ); все это и не более того.

Если наблюдатель также контролирует ввод, расследование превращается в эксперимент (иллюстрация), и гипотезы о причине и следствии могут быть проверены напрямую.

Когда экспериментатор также мотивирован управлять ящиком, в отношениях ящик / наблюдатель возникает активная обратная связь, продвигающая то, что в теории управления называется архитектурой с прямой связью .

Моделирование

Процесс моделирования - это построение прогнозной математической модели с использованием существующих исторических данных (таблицы наблюдений).

Тестирование модели черного ящика

Разработанная модель черного ящика является проверенной моделью, когда методы тестирования черного ящика гарантируют, что она основана исключительно на наблюдаемых элементах.

При тестировании на истории при тестировании модели черного ящика всегда используются несвоевременные данные. Данные должны быть записаны до того, как они будут извлечены для входов черного ящика.

Другие теории

Наблюдаемый гидрограф представляет собой график реакции водораздела (черный ящик) с его стоком (красный) на поступление осадков (синий).

Теории черного ящика - это теории, определяемые только с точки зрения их функции. Термин теория черного ящика применяется к любой области, философии и науке или иным образом, где некоторые исследования или определения сделаны в отношении отношений между внешним видом системы (внешней / внешней), то есть здесь, в частности, состоянием черного ящика системы, связанным с ее характеристики и поведение внутри (внутреннее / внутреннее).

В частности, исследование сосредоточено на системе, которая не имеет сразу видимых характеристик и, следовательно, имеет только факторы для рассмотрения, скрытые внутри себя, скрытые от непосредственного наблюдения. В первую очередь предполагается, что наблюдатель невежественен, поскольку большая часть доступных данных хранится во внутренней ситуации, вдали от поверхностных исследований. Элемент « черный ящик» определения показан как характеризующийся системой, в которой наблюдаемые элементы входят в, возможно, воображаемый ящик с набором различных выходных данных, которые также являются наблюдаемыми.

Принятие в гуманитарные науки

В гуманитарных дисциплинах, таких как философия разума и бихевиоризм , одним из применений теории черного ящика является описание и понимание психологических факторов в таких областях, как маркетинг, применительно к анализу поведения потребителей .

Теория черного ящика

Теория черного ящика даже шире, чем профессиональные исследования:

Ребенок, который пытается открыть дверь, должен манипулировать ручкой (входом), чтобы произвести желаемое движение у защелки (выхода); и он должен научиться управлять одним другим, не имея возможности видеть внутренний механизм, который их связывает. В нашей повседневной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с системами, внутренние механизмы которых не полностью открыты для проверки и с которыми необходимо обращаться методами, соответствующими «Черному ящику».

-  Эшби

(...) Это простое правило оказалось очень эффективным и является иллюстрацией того, как принцип Черного ящика в кибернетике может быть использован для управления ситуациями, которые при более глубоком рассмотрении могут показаться очень сложными.
Еще один пример принципа «черного ящика» - лечение душевнобольных. Человеческий мозг, безусловно, является черным ящиком, и, хотя проводится множество неврологических исследований, чтобы понять механизм работы мозга, прогресс в лечении также достигается путем наблюдения за реакцией пациентов на стимулы.

-  Дакворт, Гир и Локетт

Приложения

Когда наблюдатель ( агент ) также может произвести некоторый стимул (ввод), отношения с черным ящиком являются не только наблюдением, но и экспериментом .

Вычислительная техника и математика

  • В компьютерном программировании и разработке программного обеспечения , тестирование черного ящика используется для проверки , что выход из программы , как и следовало ожидать, учитывая определенные входы. Термин «черный ящик» используется потому, что фактическая выполняемая программа не проверяется.
  • В вычислениях в целом программа черного ящика - это программа, в которой пользователь не может видеть внутреннюю работу (возможно, потому, что это программа с закрытым исходным кодом ), или программа, которая не имеет побочных эффектов и функцию которой не нужно проверять, процедура, подходящая для повторное использование.
  • Также в вычислительной технике черный ящик относится к части оборудования, предоставленной поставщиком для использования продукта этого поставщика. Часто бывает, что поставщик обслуживает и поддерживает это оборудование, а компания, получающая черный ящик, обычно не вмешивается.
  • В математическом моделировании - предельный случай.

Наука и технология

  • В нейронных сетях или эвристических алгоритмах (компьютерные термины, обычно используемые для описания «обучающихся» компьютеров или «моделирования ИИ») черный ящик используется для описания постоянно меняющейся части программной среды, которую программисты не могут легко протестировать. Это также называется белым ящиком в контексте того, что программный код можно увидеть, но код настолько сложен, что функционально эквивалентен черному ящику.
  • В физике « черный ящик» - это система, внутренняя структура которой неизвестна или не требует особого рассмотрения.
  • В криптографии для фиксации понятия знаний, полученных с помощью алгоритма посредством выполнения криптографического протокола, такого как протокол доказательства с нулевым разглашением . Если выходные данные алгоритма при взаимодействии с протоколом совпадают с выходными данными симулятора с некоторыми входными данными, ему необходимо знать только входные данные.

Другие приложения

Смотрите также

использованная литература