Черный ящик

Чёрный  ящик — термин, используемый в точных науках (в частности, системотехнике, кибернетике и физике) для обозначения системы, механизм работы которой очень сложен, неизвестен или неважен в рамках данной задачи. Такие системы обычно имеют некий «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы. Состояние выходов обычно функционально зависит от состояния входов.

Механизм  неважен

Если  механизм работы неважен, то зависимость  результатов от входных данных, как  правило, известна; концепция чёрного  ящика при этом используется, чтобы  не отвлекаться на внутреннее устройство. Однако такой подход может дать ошибку при использовании устройства на пределе его возможностей. Типичным примером может служить розетка электрической сети: её можно рассматривать как источник переменного напряжения известного действующего значения (220 В) и частоты (50 Гц). Известно, что к одной розетке можно подключить любое количество потребителей. Однако под «любым количеством» подразумевается, что их общее сопротивление будет достаточно велико. Если же сопротивление мало, то приходится учитывать такие эффекты, как сопротивление проводов розетки, максимальный ток, который способны пропустить предохранители, и так далее.

Механизм  известен

Композит  механизмов:

1. Фильтр. Цель: обеспечить пропуск в систему только сигналов с заданными параметрами. Свойства: — способность определять параметры поступающих на вход системы сигналов и определять степень их соответствия заданным параметрам; — закрывать доступ в систему сигналам, параметры которых не соответствуют заданным. Функции: допуск в систему только сигналов с заданными параметрами.

2. Сепаратор. Цель: выделить индивидуальные, присущие только данному сигналу свойства. Свойства: способность отделять несущественные признаки, свойства, от существенных присущих только данному сигналу. Функции: определение индивидуальных признаков свойств сигналом и классификация сигналов по однородным признакам и свойствам.

3. Дифференциал. Цель: разделение сигналов по признакам и распределение их в системе в соответствии с её потребностями. Свойства: способность разделять сигналы по свойствам и распределять их в системе в соответствии с заданной программой. Функции: разделение и распределение сигналов в системе.

4. Трансформатор. Цель: преобразование сигналов, преобразование свойств сигналов в соответствии с заданной программой. Свойства: способность изменять имеющиеся свойства поступивших сигналов в заданные свойства. Функции: изменение свойств, качественных и количественных параметров сигналов в свойства с заданными количественными и качественными параметрами.

5. Интегратор. Цель: объединение преобразованных сигналов в новые структуры с новыми заданными свойствами. Свойства: способность устанавливать функциональные связи между отдельными сигналами, то есть формирование системы с новыми свойствами. Функции: объединение и соединение сигналов.

6. Трансмиссия. Цель: перемещение сигналов из точки А, в заданную точку Б, то есть от одного механизма к другому. Свойства: способность перемещать сигналы во времени и пространстве. Функции: перемещение сигналов с заданными параметрами, в заданное место системы. Перемещение может осуществляться по горизонталям, по вертикалям и диагоналям. Перемещение может осуществляться как вперед, так и назад (реверсивно)

Каждый  из этих механизмов имеет весь представленный набор в своём составе.

Под «чёрным  ящиком» понимается объект исследования, внутреннее устройство которого неизвестно. Понятие «чёрный ящик» предложено У. Р. Эшби. В кибернетике оно позволяет изучать поведение систем, то есть их реакций на разнообразные внешние воздействия и в то же время абстрагироваться от их внутреннего устройства. На рис. 1 приведено схемное построение входов X(x₁,x₂,...,x_n), выходов Y(y₁,y₂,...,y_m), характеризуемых функцией перехода (δ) и функцией выхода (λ) «чёрного» ящика. Манипулируя только лишь со входами и выходами, можно проводить определенные исследования. На практике всегда возникает вопрос, насколько гомоморфизм «чёрного» ящика отражает адекватность его изучаемой модели, то есть как полно в модели отражаются основные свойства оригинала. Описание любой системы управления во времени характеризуется картиной последовательности её состояний в процессе движения к стоящей перед нею цели. Преобразование в системе управления может быть либо взаимно однозначным и тогда оно называется изоморфным, либо только однозначным, в одну сторону. В таком случае преобразование называют гомоморфным. «Чёрный» ящик представляет собой сложную гомоморфную модель кибернетической системы, в которой соблюдается разнообразие. Он только тогда является удовлетворительной моделью системы, когда содержит такое количество информации, которое отражает разнообразие системы. Можно предположить, что чем большее число возмущений действует на входы модели системы, тем большее разнообразие должен иметь регулятор. В настоящее время известны два вида «чёрных» ящиков. К первому виду относят любой «чёрный» ящик, который может рассматриваться как автомат, называемый конечным или бесконечным. Поведение таких «чёрных» ящиков известно. Ко второму виду относятся такие «чёрные» ящики, поведение которых может быть наблюдаемо только в эксперименте. В таком случае в явной или неявной форме высказывается гипотеза о предсказуемости поведения «чёрного» ящика в вероятностном смысле. Без предварительной гипотезы невозможно любое обобщение, или, как говорят, невозможно сделать индуктивное заключение на основе экспериментов с «чёрным» ящиком. Для обозначения модели «чёрного» ящика Н. Винером [2] предложено понятие «белого» ящика. «Белый» ящик состоит из известных компонентов, то есть известных X, Y, δ, λ. Его содержимое специально подбирается для реализации той же зависимости выхода от входа, что и у соответствующего «чёрного» ящика. В процессе проводимых исследований и при обобщениях, выдвижении гипотез и установления закономерностей возникает необходимость корректировки организации «белого» ящика и смены моделей. В связи с этим, при моделировании исследователь должен обязательно многократно обращаться к схеме отношений «чёрный» — «белый» ящик.

Исследование  поведения «черного» ящика

Рассмотрим, как изучается и исследуется  поведение «черного» ящика второго  вида. Предположим, что дана некоторая  система управления, внутреннее строение которой неизвестно. Система управления имеет входы X(x₁,x₂,x₃,...,x_n) и выходы Y(y₁,y₂,y₃,...,y_m). Способ исследования поведения данного «черного» ящика заключается в проведении эксперимента, результаты которого можно представить в виде таблицы

Такой способ исследования «черного» ящика  называется протокольным. Значения входных величин в моменты времени t₁,t₂,...,t_k) могут выбираться произвольно.

Другой  способ исследования заключается в  подаче на входы некоторых стандартных  последовательностей. Этот способ особенно привлекателен, потому что позволяет  сравнивать поведение нескольких «черных» ящиков с условием выбора таких, которые  будут соответствовать предъявляемым  требованиям. Исследование систем управления связано с понятиями «вероятностный автомат», «вероятностная система», что требует изучения их вероятностных свойств. Для этих целей можно построить матрицу вероятностей, в которой для каждого входа x_i и каждого выхода y_i указывается условная вероятность p_i, что y_i возникает в ответ на x_i [7]. Разработка методов построения математических моделей «черного» ящика является одной из важных кибернетических проблем. При условии наличия математической модели «черного» ящика появляется возможность отнести его к какому-либо одному классу, все системы которого изоморфны по поведению. Создание математического описания «черного» ящика является своего рода искусством. В некоторых случаях удается сформировать алгоритм, в соответствии с которым «черный» ящик реагирует на произвольный входной сигнал. Для большинства же случаев делаются попытки установить дифференциальные уравнения, которые связывают реакцию «черного» ящика с его входами или, как говорят, с его входными стимулами. Для науки метод «чёрный» ящик имеет весьма большое значение. С его помощью в науке были сделаны очень многие выдающиеся открытия. Например, ученый Гарвей еще в XVII веке предугадал строение сердца. Он моделировал работу сердца насосом, позаимствовав идеи из совершенно другой области современных ему знаний — гидравлики. Практическая ценность метода «чёрный» ящик заключается во-первых, в возможности исследования очень сложных динамических систем, и, во-вторых, в возможности замены одного «ящика» другим. Окружающая действительность и биология дают массу примеров выявления строения систем методом «чёрного» ящика.