В науке, вычислениях и инженерии черный ящик — это система, которую можно рассматривать с точки зрения ее входов и выходов (или характеристик передачи ), без каких-либо знаний о ее внутренней работе. [1] [2] Ее реализация «непрозрачна» (черная). Этот термин может использоваться для обозначения многих внутренних работ, таких как транзистор , двигатель , алгоритм , человеческий мозг или учреждение или правительство .
Для анализа открытой системы 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 , центрированная в ящике.
Противоположностью черному ящику является система, в которой внутренние компоненты или логика доступны для проверки, 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 около 1945 года. В теории электронных цепей процесс синтеза сетей из передаточных функций , который привел к тому, что электронные схемы стали рассматриваться как «черные ящики», характеризующиеся их реакцией на сигналы, подаваемые на их порты , можно проследить до Вильгельма Кауэра , который опубликовал свои идеи в их наиболее развитой форме в 1941 году. [3] Хотя сам Кауэр не использовал этот термин, другие, кто следовал за ним, определенно описывали метод как анализ черного ящика. [4] Витольд Белевич [5] вводит концепцию черных ящиков еще раньше, приписывая явное использование двухпортовых сетей в качестве черных ящиков Францу Брайзигу в 1921 году и утверждает, что до этого 2-полюсные компоненты неявно рассматривались как черные ящики.
В кибернетике полное рассмотрение было дано Россом Эшби в 1956 году . [6] Черный ящик был описан Норбертом Винером в 1961 году как неизвестная система, которая должна была быть идентифицирована с использованием методов системной идентификации . [7] Он видел первый шаг в самоорганизации в том, чтобы иметь возможность копировать выходное поведение черного ящика. Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге , [8] 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 ящика совершенно не имеют отношения к рассматриваемому подходу, который является чисто внешним или феноменологическим. Другими словами, будет учитываться только поведение системы.
— Марио Бунге [8]
Понимание черного ящика основано на «объяснительном принципе», гипотезе причинно -следственной связи между входом и выходом . Этот принцип утверждает, что вход и выход различны, что система имеет наблюдаемые (и соотносимые) входы и выходы и что система является черной для наблюдателя (неоткрываемой). [9]
Наблюдатель делает наблюдения с течением времени. Все наблюдения входов и выходов черного ящика можно записать в таблицу, в которой в каждый из последовательности моментов времени записаны состояния различных частей ящика , входов и выходов. Таким образом, используя пример из Эшби , изучение ящика, упавшего с летающей тарелки, может привести к такому протоколу: [6]
Таким образом, каждая система, в основе своей, исследуется путем сбора длинного протокола, растянутого во времени, показывающего последовательность входных и выходных состояний. Из этого следует фундаментальный вывод, что все знания, получаемые из Черного ящика (данного входа и выхода), таковы, какие могут быть получены путем перекодирования протокола ( таблицы наблюдения ); все это, и ничего больше. [6]
Если наблюдатель также контролирует ввод, исследование превращается в эксперимент (иллюстрация), и гипотезы о причинах и следствиях можно проверять напрямую.
Когда экспериментатор также мотивирован контролировать ящик, в отношениях ящик/наблюдатель возникает активная обратная связь, способствующая тому, что в теории управления называется архитектурой прямой связи .
Процесс моделирования представляет собой построение прогностической математической модели с использованием существующих исторических данных (таблицы наблюдений).
Разработанная модель черного ящика является проверенной моделью, если методы тестирования черного ящика [10] гарантируют, что она основана исключительно на наблюдаемых элементах.
При бэк-тестировании всегда используются данные за пределами времени при тестировании модели черного ящика. Данные должны быть записаны до того, как они будут извлечены для входов черного ящика.
Теории черного ящика — это теории, определяемые только с точки зрения их функции. [11] [12] Этот термин может быть применен в любой области, где проводится исследование отношений между аспектами внешнего вида системы (внешняя часть черного ящика), без попытки объяснить, почему эти отношения должны существовать (внутренняя часть черного ящика). В этом контексте теория гравитации Ньютона может быть описана как теория черного ящика. [13]
В частности, исследование сосредоточено на системе, которая не имеет непосредственно очевидных характеристик и, следовательно, имеет только факторы для рассмотрения, удерживаемые внутри себя, скрытые от непосредственного наблюдения. Наблюдатель предполагается невежественным в первую очередь, поскольку большинство доступных данных удерживается во внутренней ситуации, вдали от поверхностных исследований. Элемент черного ящика определения показан как характеризуемый системой, где наблюдаемые элементы входят в, возможно, воображаемый ящик с набором различных выходов, появляющихся, которые также наблюдаемы. [14]
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 . [15] [16] [17]
Теория черного ящика имеет даже более широкое применение, чем профессиональные исследования:
Ребенок, который пытается открыть дверь, должен манипулировать ручкой (вход), чтобы произвести желаемое движение на защелке (выход); и он должен научиться управлять одним 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 осмотра, и которые должны обрабатываться методами, подходящими для Черного ящика.
— Эшби [6]
(...) Это простое правило оказалось очень эффективным и является иллюстрацией того, как принцип Черного ящика в кибернетике может быть использован для управления ситуациями, которые, если вникнуть в них глубже, могут показаться очень сложными.
Еще одним примером принципа Черного ящика является лечение психически больных. Человеческий мозг, безусловно, является Черным ящиком, и хотя проводится много неврологических исследований для понимания механизма работы мозга, прогресс в лечении также достигается путем наблюдения за реакцией пациентов на стимулы.— Дакворт, Гир и Локетт [18]
