Черный ящик теории систем и моделировании

Привет, Вы узнаете о том , что такое черный ящик, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое черный ящик , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Системный анализ (системная философия, теория систем).

В науке, вычислительной технике и технике « черный ящик » — это система, которую можно рассматривать с точки зрения ее входных и выходных данных (или передаточных характеристик ), не имея никаких сведений о ее внутренней работе. Ее реализация «непрозрачна» (черная). Этот термин может использоваться для обозначения многих внутренних механизмов, таких как транзистор , двигатель , алгоритм , человеческий мозг или учреждение или правительство .

При анализе открытой системы с использованием типичного подхода «черного ящика» учитывается только поведение стимула/реакции, чтобы определить (неизвестный) « ящик ». Обычно такая «система черного ящика» представляется в виде диаграммы потока данных , центрированной внутри этого «ящика».

Противоположностью «черному ящику» является система, внутренние компоненты или логика которой доступны для осмотра; ее чаще всего называют « белым ящиком » (иногда также «прозрачным ящиком» или «стеклянным ящиком»).

Модель «черного ящика» может использоваться для описания выходных данных систем.

Современное значение термина «черный ящик», по-видимому, вошло в английский язык около 1945 года. В теории электронных цепей процесс синтеза сети 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 наиболее развитой форме в 1941 году. Хотя сам Кауэр не использовал этот термин, другие, кто последовал за ним, безусловно, описывали этот метод как анализ «черного ящика». Витольд Белевич относит концепцию «черных ящиков» еще к более раннему периоду, приписывая явное использование двухпортовых сетей в качестве «черных ящиков» Францу Брейзигу в 1921 году и утверждая, что двухполюсные компоненты неявно рассматривались как «черные ящики» и раньше.

В кибернетике полное изложение этой темы было дано Россом Эшби в 1956 году. В 1961 году Норберт Винер описал «черный ящик» как неизвестную систему, которую необходимо идентифицировать с помощью методов идентификации систем . Он считал первым шагом в самоорганизации возможность копирования выходного поведения «черного ящика». Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге , использовали и усовершенствовали теорию «черного ящика» в 1960-х годах.

Теория открытых систем лежит в основе теории «черного ящика» . Обе теории фокусируются на входных и выходных потоках, представляющих собой обмен с окружающей средой.

В теории систем « черный ящик» — это абстракция, представляющая класс конкретных открытых систем , которые можно рассматривать исключительно с точки зрения их входных воздействий и выходных реакций :

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

Понимание « черного ящика » основано на «объяснительном принципе», гипотезе о 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 (неоткрываемой). Об этом говорит сайт https://intellect.icu .

Наблюдатель проводит наблюдения во времени. Все наблюдения за входами и выходами « черного ящика» можно записать в таблицу, в которой в каждый момент времени регистрируются состояния различных частей ящика , входов и выходов. Таким образом, используя пример Эшби , исследование ящика, упавшего с летающей тарелки, может привести к следующему протоколу:

Таким образом, каждая система, по сути, исследуется путем сбора длинного протокола, растянутого во времени, показывающего последовательность входных и выходных состояний. Из этого следует фундаментальный вывод о том, что все знания, полученные из «черного ящика» (с заданными входными и выходными данными), — это знания, которые можно получить путем перекодирования протокола ( таблицы наблюдений ); все это и ничего больше.

Если наблюдатель также контролирует входные данные, исследование превращается в эксперимент (иллюстрация), и гипотезы о причинно-следственных связях можно проверить напрямую.

Когда экспериментатор также мотивирован контролировать ящик, возникает активная обратная связь во взаимоотношениях ящик/наблюдатель, способствующая развитию того, что в теории управления называется архитектурой с прямой связью .

Процесс моделирования представляет собой построение прогностической математической модели с использованием существующих исторических данных (таблицы наблюдений).

Разработанная модель «черного ящика» считается проверенной моделью, если методы тестирования «черного ящика» гарантируют, что она основана исключительно на наблюдаемых элементах.

При обратном тестировании для проверки модели «черного ящика» всегда используются данные, поступающие вне временной области. Данные необходимо записать до того, как они будут использованы в качестве входных данных для модели «черного ящика».

Представленная гидрограмма — это графическое изображение реакции водосборного бассейна (черный ящик) с его стоком (красный цвет) на поступление осадков (синий цвет).

Теории «черного ящика» — это теории, определяемые только с точки зрения их функции.Этот термин может применяться в любой области, где проводится исследование взаимосвязей между аспектами внешнего вида системы (внешняя сторона «черного ящика»), без попытки объяснить, почему эти взаимосвязи должны существовать (внутренняя сторона «черного ящика»). В этом контексте теорию гравитации Ньютона можно описать как теорию «черного ящика».

В частности, исследование сосредоточено на системе, которая не имеет непосредственно очевидных характеристик и, следовательно, имеет только факторы для рассмотрения, скрытые внутри себя от непосредственного наблюдения. Наблюдатель считается невежественным на первом этапе, поскольку большая часть доступных данных хранится во внутренней ситуации, вдали от простых исследований. Элемент «черного ящика» в определении показан как характеризующийся системой, в которой наблюдаемые элементы входят в, возможно, воображаемый ящик, из которого появляется набор различных выходных данных, которые также являются наблюдаемыми.

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 .

Теория «черного ящика» находит применение даже в более широкой области, чем просто в профессиональных исследованиях:

Ребенок, пытающийся открыть дверь, должен манипулировать ручкой (входной сигнал), чтобы вызвать желаемое движение защелки (выходной сигнал); и он должен научиться управлять одним посредством другого, не имея возможности видеть внутренний механизм, который их связывает. В нашей повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с системами, внутренние механизмы которых не полностью доступны для осмотра и которые требуют применения методов, соответствующих «черному ящику».

(...) Это простое правило оказалось очень эффективным и иллюстрирует, как принцип «черного ящика» в кибернетике может быть использован для управления ситуациями, которые, если их углубиться, могут показаться очень сложными.
Еще один пример принципа «черного ящика» — лечение психически больных. Человеческий мозг, безусловно, является «черным ящиком», и хотя ведется большая работа по изучению механизмов его функционирования в нейрологии, прогресс в лечении также достигается путем наблюдения за реакцией пациентов на стимулы.

Когда наблюдатель ( агент ) также может оказывать какое-либо воздействие (вводить данные), связь с «черным ящиком» представляет собой не просто наблюдение, а эксперимент .

• В компьютерном программировании и разработке программного обеспечения тестирование методом «черного ящика» используется для проверки того, соответствует ли выход программы ожидаемому результату при определенных входных данных. Термин «черный ящик» используется потому, что фактическая выполняемая программа не проверяется.
• В вычислительной технике в целом программа «черного ящика» — это программа, внутреннее устройство которой пользователь не может увидеть (возможно, потому что это программа с закрытым исходным кодом ), или программа, не имеющая побочных эффектов и не требующая изучения, — подходящая для повторного использования.
• В вычислительной технике «черный ящик» также обозначает оборудование, предоставляемое поставщиком для использования его продукции. Зачастую поставщик занимается обслуживанием и поддержкой этого оборудования, а компания, получающая «черный ящик», как правило, не вмешивается в этот процесс.
• В математическом моделировании это предельный случай.

• В нейронных сетях или эвристических алгоритмах (компьютерные термины, обычно используемые для описания «обучающихся» компьютеров или «моделирования ИИ») «черный ящик» используется для описания постоянно изменяющейся части программной среды, которую программисты не могут легко протестировать. Его также называют « белым ящиком» , поскольку программный код виден, но настолько сложен, что функционально эквивалентен «черному ящику».
• В физике «черный ящик» — это система, внутренняя структура которой неизвестна или которую не нужно учитывать для достижения конкретной цели.
• В криптографии это понятие используется для обозначения знания, полученного алгоритмом в результате выполнения криптографического протокола, такого как протокол доказательства с нулевым разглашением . Если результат работы алгоритма при взаимодействии с протоколом совпадает с результатом работы симулятора при заданных входных данных, то алгоритму достаточно знать только эти входные данные.

• В философии и психологии школа бихевиоризма рассматривает человеческий разум как черный ящик;

Исследование, описанное в статье про черный ящик, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое черный ящик и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Системный анализ (системная философия, теория систем)