Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена абстрактной концепции систем черного ящика. О черных ящиках в самолетах см. Бортовой регистратор . Для использования в других целях, см Черный ящик (значения) .
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 устройство, система или объект, которые можно рассматривать с точки зрения их входов и выходов (или характеристик передачи ), не зная об их внутренней работе. Его реализация «непрозрачная» (черная). Черным ящиком можно назвать практически все: транзистор , двигатель , алгоритм , человеческий мозг , учреждение или правительство.

Чтобы проанализировать что-то, смоделированное как открытая система , с типичным подходом «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» [1] ). .

История [ править ]

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», характеризующиеся их реакцией на сигналы, подаваемые в их порты , можно проследить до Вильгельма Кауэра, который опубликовал свои идеи в наиболее развитой форме в 1941 году. [2] Хотя Кауэр сам не использовал этот термин, другие, следовавшие за ним, определенно описали этот метод как анализ черного ящика. . [3] Витольд Белевич [4]вводит концепцию черных ящиков еще раньше, приписывая явное использование двухпортовых сетей в качестве черных ящиков Францу Брейзигу в 1921 году и утверждает, что до этого 2-терминальные компоненты неявно рассматривались как черные ящики.

В области кибернетики полное рассмотрение было дано Россом Эшби в 1956 году. [5] Черный ящик был описан Норбертом Винером в 1961 году как неизвестная система, которая должна была быть идентифицирована с использованием методов системной идентификации . [6] Он видел первый шаг в самоорганизации как возможность копировать поведение вывода черного ящика. Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге , [7] использовали и усовершенствовали теорию черного ящика в 1960 - х годах.

Теория систем [ править ]

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.

-  Марио Бунге [7]

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). [8]

Запись наблюдаемых состояний [ править ]

Наблюдатель проводит наблюдения за течением времени. Все наблюдения входов и выходов черного ящика могут быть записаны в таблицу, в которой в каждый период времени записываются состояния различных частей ящика , входов и выходов. Таким образом, используя пример Эшби , исследование коробки, упавшей с летающей тарелки, может привести к следующему протоколу: [5]

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

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. [5]

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 [ править ]

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

Тестирование модели черного ящика [ править ]

Разработанная модель черного ящика является проверенной моделью, когда методы тестирования черного ящика [9] 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 [ править ]

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

Теории черного ящика - это вещи, определяемые только с точки зрения их функции. [10] [11] Термин « теория черного ящика» применяется к любой области, философии и науке, или к любой другой области, где какое-либо исследование или определение делается в отношении отношений между внешним видом чего-либо (внешним / внешним), то есть здесь, в частности, черным ящиком вещи. состояние, связанное с его характеристиками и поведением внутри (внутреннее / внутреннее). [12] [13]

В частности, исследование сосредоточено на вещи, которая не имеет непосредственно очевидных 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. [14]

Принятие в гуманитарные науки [ править ]

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 . [15] [16] [17]

Теория черного ящика [ править ]

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 [5]

(...) Это простое правило оказалось очень эффективным и является иллюстрацией того, как принцип Черного ящика в кибернетике может быть использован для управления ситуациями, которые, если вдаваться в подробности, 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 [18]

Приложения [ править ]

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

Вычислительная техника и математика [ править ]

  • В компьютерном программировании и разработке программного обеспечения , тестирование черного ящика используется для проверки , что выход из программы , как и следовало ожидать, учитывая определенные входы. [19] 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 техника [ править ]

  • 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 ее не нужно рассматривать для конкретной цели.
  • 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 «не нужно знать» ничего, кроме этих входных данных.

Другие приложения [ править ]

  • В философии и психологии школа бихевиоризма рассматривает человеческий разум как черный ящик; [20] см. Другие теории .

См. Также [ править ]

  • Группа черного ящика
  • Блэкбоксинг
  • Самописец
  • Модель серая коробка
  • Гистерезис
  • Открытая система :
    • в (общей) теории систем
    • в термодинамике
    • в теории управления
  • Многоагентная система
  • Предсказание / ретродикция
  • Связанные теории
    • Машина Oracle
    • Распознавание образов
    • Теория систем
    • Обработка сигналов
  • Идентификация системы
  • Модель «стимул – реакция»

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хольцингер, Андреас; Пласс, Маркус; Хольцингер, Катарина; Крисан, Глория Серасела; Pintea, Camelia-M .; Паладе, Василе (3 августа 2017 г.). «Интерактивный подход к машинному обучению в стеклянной коробке для решения NP-сложных задач с участием человека в цикле». arXiv : 1708.01104 [ cs.AI ].
  2. ^ Кауэр, Вильгельм; Theorie der linearen Wechselstromschaltungen , Vol. I , Akademische Verlags-Gesellschaft Becker und Erler, Лейпциг, 1941.
  3. ^ Кауэр, Эмиль; Матис, Вольфганг; и Паули, Райнер; «Жизнь и работа Вильгельма Кауэра ( 1900–1945 )», Труды четырнадцатого Международного симпозиума по математической теории сетей и систем (MTNS2000) , стр. 4, Перпиньян, июнь 2000 г. Получено онлайн 19 сентября 2008 г.
  4. ^ Белевич, Витольд; «Краткое изложение истории теории схем», Proceedings of the IRE , vol 50 , Iss 5, pp. 848-855, май 1962 г.
  5. ^ a b c d Эшби, У. Росс; Введение в кибернетику , Лондон: Chapman & Hall, 1956, глава 6: Черный ящик , стр. 86–117.
  6. ^ Винер, Норберт; Кибернетика: или управление и коммуникация у животных и машин , MIT Press, 1961, ISBN 0-262-73009-X , стр. Xi 
  7. ^ a b Бунге, Марио; "Общая теория черного ящика", Philosophy of Science, Vol. 30, No. 4, 1963, pp. 346-358. jstor / 186066
  8. ^ Гланвилл, Ранульф; «Черные ящики», Кибернетика и знание человека, 2009, стр. 153-167.
  9. ^ См. Например. британский стандарт BS 7925-2 (тестирование компонентов программного обеспечения) или его рабочий проект 2001 года,
    BCS SIGIST (группа специалистов Британского компьютерного общества по тестированию программного обеспечения), «Стандарт для тестирования компонентов программного обеспечения», рабочий проект 3.4, веб-страница от 27 апреля 2001 года.
  10. ^ Определение с сайта Answers.com
  11. ^ Клара, Паркер. «Общая теория черного ящика» . Журналы Чикагского университета . Марио Бунге . Проверено 23 декабря 2020 года .
  12. ↑ Теория черного ящика, кратко примененная к Исааку Ньютону
  13. ^ Фешбы, D (1979). «Что внутри черного ящика: тематическое исследование распределительной политики в программе Хилла-Бертона». Int J Health Serv . 9 (2): 313–39. DOI : 10,2190 / ltd9-c9c7-x1lf-pmnm . PMID 374288 . S2CID 10957919 .  
  14. ^ Физический факультет, Темплский университет, Филадельфия
  15. ^ Институт рабочих фьючерсов. Архивировано 26 июня 2012 года в рамках программы Wayback Machine в рамках программы Advanced Diploma in Logistics and Management. Дата обращения 09.11.2011
  16. ^ Теория черного ящика, используемая для понимания потребительского поведения. Маркетинг Ричард Л. Сандхусен. Дата обращения 09.11.2011
  17. ^ проектирование веб-сайтов Дата обращения 11.09.2011
  18. ↑ WE Duckworth, AE Gear и AG Lockett (1977), «Руководство по операционным исследованиям». DOI : 10.1007 / 978-94-011-6910-3
  19. ^ Байзер, Борис; Тестирование черного ящика: методы функционального тестирования программного обеспечения и систем , 1995, ISBN 0-471-12094-4 
  20. ^ «Разум как черный ящик: бихевиористский подход», стр. 85-88, в Friedenberg, Jay; и Сильверман, Гордон; Когнитивная наука: введение в изучение разума , Sage Publications, 2006.