В науке, вычислительной технике и технике черный ящик — это система, которую можно рассматривать с точки зрения ее входов и выходов (или передаточных характеристик ) без каких-либо знаний о ее внутренней работе. Его реализация «непрозрачная» (черная). Этот термин может использоваться для обозначения многих внутренних механизмов работы, например, работы транзистора , двигателя , алгоритма , человеческого мозга , учреждения или правительства .
При анализе открытой системы с использованием типичного подхода «черного ящика» будет учитываться только поведение стимула/реакции, чтобы сделать вывод о (неизвестном) ящике . Обычное представление этой системы «черного ящика» — это диаграмма потока данных , центрированная в ящике.
Противоположностью черного ящика является система, внутренние компоненты или логика которой доступны для проверки, и которую чаще всего называют белым ящиком (иногда также известным как «прозрачный ящик» или «стеклянный ящик»).
Современное значение термина «черный ящик», по-видимому, вошло в английский язык примерно в 1945 году. В теории электронных цепей процесс синтеза сетей на основе передаточных функций , который привел к тому, что электронные схемы стали рассматриваться как «черные ящики», характеризующиеся их реакцией на сигналы, подаваемые к их портам , можно проследить до Вильгельма Кауэра , который опубликовал свои идеи в наиболее развитой форме в 1941 году. [1] Хотя сам Кауэр не использовал этот термин, другие, последовавшие за ним, определенно описывали этот метод как анализ черного ящика. . [2] Витольд Белевич [3] 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. что.
В кибернетике полное рассмотрение было дано Россом Эшби в 1956 году. [4] Черный ящик был описан Норбертом Винером в 1961 году как неизвестная система, которую необходимо было идентифицировать с помощью методов системной идентификации . [5] Он видел первый шаг в самоорганизации в возможности копировать выходное поведение черного ящика. Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге , [6] использовали и усовершенствовали теорию черного ящика в 1960-х годах.
В теории систем черный ящик — это абстракция, представляющая класс конкретной открытой системы , которую можно рассматривать исключительно с точки зрения ее входных стимулов и выходных реакций :
Состав и структура коробки совершенно не имеют отношения к рассматриваемому подходу, который является чисто внешним или феноменологическим. Другими словами, будет учитываться только поведение системы.
- Марио Бунге [6]
Понимание черного ящика основано на «принципе объяснения», гипотезе 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 черна для наблюдателя (неоткрываема). [7]
Наблюдатель делает наблюдения во времени. Все наблюдения за входами и выходами черного ящика можно записать в таблицу, в которой в каждый момент времени записываются состояния различных частей ящика , входа и выхода. Таким образом, используя пример Эшби , исследование коробки, упавшей с летающей тарелки , может привести к такому протоколу: [4]
Таким образом, каждая система, по сути, исследуется посредством набора длинного протокола, растянутого во времени, показывающего последовательность входных и выходных состояний. Отсюда следует фундаментальный вывод, что все знания, получаемые из «черного ящика» (о заданных входных и выходных данных), являются такими, которые можно получить путем перекодирования протокола (таблицы наблюдения ); все это, и ничего больше. [4]
Если наблюдатель также контролирует входные данные, исследование превращается в эксперимент (иллюстрацию), и гипотезы о причине и следствии могут быть проверены напрямую.
Когда экспериментатор также заинтересован в управлении ящиком, в отношениях ящик/наблюдатель возникает активная обратная связь, способствующая тому, что в теории управления называется архитектурой прямой связи .
Процесс моделирования представляет собой построение прогнозной математической модели с использованием существующих исторических данных (таблицы наблюдений).
Разработанная модель черного ящика является проверенной моделью, если методы тестирования черного ящика [8] гарантируют, что она основана исключительно на наблюдаемых элементах.
При обратном тестировании при тестировании модели черного ящика всегда используются несвоевременные данные. Данные должны быть записаны до того, как они будут извлечены для ввода в черный ящик.
Теории черного ящика — это теории, определяемые только с точки зрения их функции. [9] [10] Этот термин может применяться в любой области, где исследуются отношения между аспектами внешнего вида системы (внешнего вида черного ящика), без каких-либо попыток объяснить, почему эти отношения должны существовать ( внутренняя часть черного ящика). В этом контексте теорию гравитации Ньютона можно назвать теорией черного ящика. [11]
В частности, исследование сосредоточено на системе, которая не имеет сразу очевидных характеристик и, следовательно, имеет только факторы для рассмотрения, содержащиеся внутри нее, скрытой от непосредственного наблюдения. В первую очередь предполагается, что наблюдатель невежественен, поскольку большая часть доступных данных хранится во внутренней ситуации, вдали от поверхностных исследований. Элемент черного ящика определения характеризуется системой, в которой наблюдаемые элементы входят в, возможно, воображаемый ящик, из которого возникает набор различных выходных данных, которые также являются наблюдаемыми. [12]
В гуманитарных дисциплинах , таких как философия сознания и бихевиоризм , одним из применений теории черного ящика является описание и понимание психологических факторов в таких областях, как маркетинг, применительно к анализу поведения потребителей . [13] [14] [15]
Теория черного ящика имеет еще более широкое применение, чем профессиональные исследования:
Ребенок, который пытается открыть дверь, должен манипулировать ручкой (вход), чтобы произвести желаемое движение защелки (выход); и он должен научиться контролировать одно с помощью другого, 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 которые необходимо лечить методами, подходящими для «черного ящика».
— Эшби [4]
(...) Это простое правило оказалось очень эффективным и является иллюстрацией того, как принцип черного ящика в кибернетике можно использовать для управления ситуациями, которые, если в них глубоко вникнуть, могут показаться очень сложными.
Еще одним примером применения принципа «черного ящика» является лечение психически больных. Человеческий мозг, безусловно, является «черным ящиком», и, хотя сейчас проводится большое количество неврологических исследований, направленных на понимание механизма работы мозга, прогресс в лечении также достигается путем наблюдения за реакцией пациентов на раздражители.- Дакворт, Гир и Локетт [16]
