Черный ящик - Black box

Эта статья об абстрактной концепции систем черного ящика. Для черных ящиков в самолетах см. Самописец полета. 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  · Блэкбоксинг
Связанные методы
Вперед  · Запутывание  · Распознавание образов  · белая коробка  · Тестирование белого ящика  · Идентификация системы
Основы
Априори Информация  · Системы управления  · Открытые системы  · Исследование операций  · Термодинамические системы

В науке, вычислениях и технике черный ящик устройство, система или объект, которые можно рассматривать с точки зрения их входов и выходов (или передаточные характеристики ), не зная о его внутренней работе. Его реализация «непрозрачная» (черная). Почти все можно назвать черным ящиком: транзистор, двигатель, алгоритм, то 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 сделать вывод о (неизвестном) коробка. Обычное представление этого система черного ящика это диаграмма потока данных по центру коробки.

Противоположность черному ящику - это система, в которой внутренние компоненты или логика доступны для проверки, что чаще всего называют белая коробка (иногда также называют «прозрачным ящиком» или «стеклянным ящиком»[1]).

История

Модель черного ящика может использоваться для описания результатов работы систем.

Современное значение термина «черный ящик», похоже, вошло в английский язык примерно в 1945 году. теория цепей процесс сетевой синтез из передаточные функции, что привело к тому, что электронные схемы стали рассматриваться как «черные ящики», характеризующиеся их реакцией на сигналы, подаваемые на их порты, можно проследить до Вильгельм Кауэр который опубликовал свои идеи в наиболее развитой форме в 1941 г.[2] Хотя Кауэр сам не использовал этот термин, другие, следовавшие за ним, определенно описали этот метод как анализ черного ящика.[3] Витольд Белевич[4] помещает концепцию черных ящиков еще раньше, объясняя явное использование двухпортовые сети как черные ящики для Франц Брайзиг в 1921 г. и утверждает, что до этого 2-терминальные компоненты неявно рассматривались как черные ящики.

В кибернетика, полное лечение было проведено Росс Эшби в 1956 г.[5] Черный ящик описал Норберт Винер в 1961 г. как неизвестная система, которая должна была быть идентифицирована с помощью методов идентификация системы.[6] Он увидел первый шаг в самоорганизация как возможность копировать поведение вывода черного ящика. Многие другие инженеры, ученые и эпистемологи, такие как Марио Бунге,[7] использовал и усовершенствовал теорию черного ящика в 1960-х.

Системная теория

В теория открытых систем это основа теория черного ящика. Оба сосредоточены на входных и выходных потоках, представляющих обмен с окружением.

В теория систем, то черный ящик абстракция, представляющая класс конкретных открытая система который можно рассматривать исключительно с точки зрения его входные стимулы и выходные реакции:

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 черный ящик основан на «объяснительном принципе», гипотеза из причинная связь между Вход и вывод. Этот принцип гласит, что Вход и вывод отличаются, что система имеет наблюдаемые (и связанные) входы и выходы, и что система является черной для наблюдателя (не открывается).[8]

Запись наблюдаемых состояний

Наблюдатель проводит наблюдения за течением времени. Все наблюдения входов и выходов черный ящик можно записать в таблицу, в которой в каждой последовательности раз состояния коробка записываются различные части, вход и выход. Таким образом, используя пример из Эшби, осматривая коробку, выпавшую из летающая тарелка может привести к этому 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 выросла до 480 Гц и осталась стабильной.
11:20Случайно нажал кнопку с надписью «!» - температура ящика увеличилась на 20 ° C.
11:21И т.п.

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 ( стол наблюдения); все это и не более того.[5]

Если наблюдатель также контролирует ввод, расследование превращается в эксперимент (иллюстрация), и гипотезы о причина и следствие можно протестировать напрямую.

Когда экспериментатор также мотивирован управлять ящиком, в отношениях ящик / наблюдатель присутствует активная обратная связь, продвигающая то, что в теория управления называется кормить вперед архитектура.

Моделирование

В процесс моделирования это построение прогнозирующего математическая модель, используя существующие исторические данные (таблица наблюдений).

Тестирование модели черного ящика

Развитая модель черного ящика является проверенной моделью, когда черный ящик методы[9] гарантирует, что это так, основываясь исключительно на наблюдаемый элементы.

При тестировании на истории при тестировании модели черного ящика всегда используются несвоевременные данные. Данные должны быть записаны, прежде чем они будут извлечены для входов черного ящика.

Другие теории

Наблюдаемые гидрограф это график ответа водораздел (черный ящик) с его сток (красный) входу осадков (синий).

Теории черного ящика вещи определяются только с точки зрения их функции.[10][11] Период, термин теория черного ящика применяется к любому полю, философия и наука или иначе, когда какое-то исследование или определение делается в отношениях между внешним видом чего-либо (внешнее / внешнее), то есть здесь, в частности, состоянием черного ящика вещи, связанным с его характеристиками и поведением внутри (внутреннее / внутреннее).[12][13]

В частности, исследование сосредоточено на вещи, которая не имеет непосредственно очевидных характеристик и поэтому имеет только факторы для рассмотрения, скрытые внутри себя, скрытые от непосредственного наблюдения. Предполагается, что наблюдатель в первую очередь невежественен, поскольку большинство доступных данные удерживается во внутренней ситуации вдали от поверхностный расследования. В черный ящик Элемент 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

В гуманитарные дисциплины такие как философия разума и бихевиоризм, одно из применений теории черного ящика - описать и понять психологический факторы в таких областях, как маркетинг, применительно к анализу поведение потребителя.[15][16][17]

Теория черного ящика

Теория черного ящика даже шире, чем профессиональные исследования:

Ребенок, который пытается открыть дверь, должен манипулировать ручкой (входом) так, чтобы произвести желаемое движение у защелки (выхода); и он должен научиться управлять одним другим, не имея возможности видеть внутренний механизм, который их связывает. В своей 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

Когда наблюдатель ( агент ) также может быть стимулом (вводом), связь с черным ящиком - это не только наблюдение, но и эксперимент.

Вычислительная техника и математика

  • В компьютерное программирование и программная инженерия, тестирование черного ящика используется для проверки того, что вывод программы соответствует ожиданиям при определенных входных данных.[19] Термин «черный ящик» используется потому, что фактическая выполняемая программа не проверяется.
  • В вычисление в общем, программа черного ящика это тот, где пользователь не может видеть внутреннюю работу (возможно, потому что это закрытый исходный код программа) или тот, который не имеет побочных эффектов и функцию которого не нужно проверять, процедура, подходящая для повторного использования.
  • Также в вычисление, черный ящик относится к части оборудования, предоставленной поставщиком для использования продукта этого поставщика. Часто бывает так, что поставщик обслуживает и поддерживает это оборудование, а компания, получающая черный ящик, обычно не вмешивается.
  • В математическое моделирование, предельный случай.

Наука и технология

  • В нейронные сети или эвристические алгоритмы (компьютерные термины, обычно используемые для описания «обучающихся» компьютеров или «моделирования искусственного интеллекта»), черный ящик используется для описания постоянно меняющейся части программной среды, которую программисты не могут легко протестировать. Это также называется белая коробка в контексте, что программный код можно увидеть, но код настолько сложен, что функционально эквивалентен черному ящику.
  • В физика, черный ящик - это система, внутренняя структура которой неизвестна или не требует рассмотрения для конкретной цели.
  • В криптография захватить понятие знаний, полученных с помощью алгоритма путем выполнения криптографический протокол например, доказательство с нулевым разглашением протокол. 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

Смотрите также

Рекомендации

  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, Том I, Akademische Verlags-Gesellschaft Becker und Erler, Лейпциг, 1941.
  3. ^ Кауэр, Эмиль; Матис, Вольфганг; и Паули, Райнер; «Жизнь и творчество Вильгельма Кауэра (1900-1945)», Материалы 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», Труды IRE, том 50, Iss 5, pp. 848-855, May 1962.
  5. ^ а б c d Эшби, В. Росс; Введение в кибернетику, Лондон: Chapman & Hall, 1956, глава 6: Черный ящикС. 86–117.
  6. ^ Винер, Норберт; Кибернетика: или управление и коммуникация у животного и машины, MIT Press, 1961 г., ISBN  0-262-73009-X, стр. xi
  7. ^ а б 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 знания человека, 2009, стр. 153-167.
  9. ^ См. Например. британский стандарт BS 7925-2 (Тестирование компонентов программного обеспечения) или его рабочий проект 2001 г.,
    BCS SIGIST (Группа специалистов Британского компьютерного общества по тестированию программного обеспечения), «Стандарт для тестирования программных компонентов», рабочий проект 3.4, 27 апреля 2001 г. веб-страница.
  10. ^ Определение с сайта Answers.com
  11. ^ определение от дальнего света[мертвая ссылка ]
  12. ^ Теория черного ящика вкратце применима к Исааку Ньютону
  13. ^ Фешбах, Д (1979). «Что внутри черного ящика: тематическое исследование распределительной политики в программе Хилла-Бертона». Int J Health Serv. 9 (2): 313–39. Дои:10.2190 / ltd9-c9c7-x1lf-pmnm. PMID  374288. S2CID  10957919.
  14. ^ Кафедра физики, Темплский университет, Филадельфия
  15. ^ Институт рабочего будущего В архиве 26 июня 2012 г. Wayback Machine часть Advanced Diploma в области логистики и менеджмента. Дата обращения 09.11.2011
  16. ^ Теория черного ящика, используемая для понимания поведения потребителей Маркетинг Ричард Л. Сандхусен. Дата обращения 09.11.2011
  17. ^ проектирование сайтов Дата обращения 09.11.2011
  18. ^ У. Е. Дакворт, А. Э. Гир и А. Г. Локетт (1977), «Руководство по операционным исследованиям». Дои:10.1007/978-94-011-6910-3
  19. ^ Бейзер, Борис; Тестирование черного ящика: методы функционального тестирования программного обеспечения и систем, 1995, ISBN  0-471-12094-4
  20. ^ «Разум как черный ящик: подход бихевиориста», стр. 85-88, в Friedenberg, Jay; и Сильверман, Гордон; Когнитивная наука: введение в изучение разума, Публикации Sage, 2006.