Модель черного ящика

Черный ящик это система, в которой внешнему наблюдателю  доступны лишь входные и выходные величины, а структура и внутренние процессы неизвестны.

С проблемой «черного ящика» человек сталкивается буквально  с первых шагов жизни. Правда, в  практической деятельности справляется  с ней довольно успешно, не пытаясь  каким-либо образом классифицировать эту проблему и не замечая типичный «черный ящик».

Едва ребенок становится на ноги, начинает передвигаться по своей кроватке, как ему сразу  же хочется вырваться в большой  мир. Но ... Перед малышом вырастает  не что иное, как «черный ящик»: малыш ничего не знает об устройстве кроватного ограждения. Ребенок дергает его и так и этак. Выражаясь языком кибернетики, он начинает манипулировать «входами», надеясь получить на «выходе» устранение препятствия.

Такой же «черный ящик» - заводная игрушка. Дети не знают, что  у нее внутри. Им известно одно: заведи - она едет. Мы скажем так: на «входе» - энергия сжатой пружины, на «выходе» - движение колес.

Иногда и обычные телевизоры, и радиоприемники выступают в  роли «черных ящиков»: когда они  стоят перед человеком, ничего не знающим об их устройстве. Для такого человека и телевизор, и радиоприемник  известны только с двух сторон: на «входе» - электрический ток, на «выходе» звук (для приемника) или звук и изображение (для телевизора).

Не будет преувеличением сказать, что любая вещь, любой  предмет, любое явление - любой познаваемый  объект - всегда первоначально выступает  как «черный ящик».

В приведенных примерах «черные  ящики» быстро перестают быть «черными». Накапливается опыт, и «чернота»  рассеивается, исчезает. Перед инженером  стоит электронный аппарат. Разбирать  его нельзя. Но инженер должен решить, возвращать аппарат для ремонта  или выбросить его.

А практическая деятельность врача, когда он сталкивается с внешними проявлениями болезни, но неизвестно истинное состояние организма больного? Перед  врачом задача «черного ящика».

Как видите, «черный ящик» - это проблема и электротехники, и электроники, и автоматического  регулирования, и медицины.

Правда, английский ученый У. Р. Эшби, предложивший «черный ящик»  как понятие в кибернетике, утверждает, что это изучение отношения между  экспериментатором и окружающей средой, когда особое внимание уделяется  информации.

Итак, «черный ящик» - система, об устройстве которой мы ничего не знаем.

Каким же образом можно ее обсуждать, изучать, исследовать? «Черный ящик» представляет систему только с одной стороны: взаимоотношение, связь между «входом» и «выходом». В этой связи - стремление понять поведение системы. Только поведение. Ни строение, ни материал не принимаются здесь во внимание.

Исследования «черного ящика». У. Р. Эшби Описывает его так. Человек  не может дважды вступить в один и тот же поток; так же не может  дважды произвести один и гот же эксперимент. Он может лишь предпринять  другой эксперимент, отличающийся от первого  только тем, чем, по общему признанию  можно пренебречь.

Это относится и к исследованию «черного ящика». Основные данные всегда будут иметь форму ведомости, в которой записаны в порядке  следования во времени наблюдаемые  состояния различных частей «черного ящика» (его «входа» и его «выхода»).

Каждая система исследуется  в принципе путем постепенного изготовления длинного протокола, составленного  в хронологическом порядке и  показывающего последовательность состояния «входа» и «выхода». В результате такого протокола мы знаем, какими «входами» экспериментатор  манипулирует, что происходит при  этом на «выходе». Расширяя постепенно круг «вход - выход», экспериментатор  узнает поведение своего «подопечного». И уже по мере знакомства с его  поведением пытается раскрыть внутренние связи в «черном ящике», его  структуру. Однако, как бы детально ни изучалось поведение «черного ящика», нельзя получить однозначного решения о его внутренней структуре, его устройстве. Ведь одним и тем же поведением могут обладать разные системы.

Эшби по этому поводу замечает, что экспериментатор напоминает инженера, сидящего в корабельной  рубке перед набором рычагов  и корабельных средств связи, с помощью которых он может воздействовать на машины, и наблюдающего за результатами по показаниям ряда приборов.

Почему же «черный ящик»  широко применяют для решения  задач в кибернетике?

Как правило, в кибернетике  имеют дело с системами разного  рода, не подающимися детальному описанию,- большими системами. Ученые часто сталкиваются в исследованиях с обстоятельствами, когда ни один из методов изучения не может быть применен, кроме «черного ящика».

Обратимся к примерам. Нервная  система человека напоминает сложную, гигантскую электрическую схему. Но в то же время сопоставить их трудно: неимоверно велики количественные и  качественные различия. В состав радиотехнического  устройства входят несколько сотен  всевозможных переключателей. Электронные машины имеют сотни тысяч переключающих элементов. Нейронов в мозгу человека - миллиарды.

Представим себе физиолога, который задался целью освоить  все переключения при мыслительном процессе. Предположим, что физиологу  удается усвоить схему переключений нервной системы так же быстро, как радиотехник усваивает схему  радиотехнического устройства. Из практики известно, что хороший специалист затрачивает на анализ схемы из 200 переключений 5 часов. Допустим, что  и физиолог будет анализировать  схему переключений в нервной  системе человека с такой же скоростью. Подсчет показывает, что на эту  работу потребуется 40 тысяч лет! Детальное  изучение очень большой системы  невозможно.

Еще пример. На химическом предприятии  идет автоматизация цехов с вредным  производством. Все до поры до времени  обстоит благополучно: оператор нажимает кнопки, автоматы работают исправно, все  процессы протекают нормально. Но вот  загвоздка: оператору вредно быть в  этом цехе! Его тоже надо заменить, поручить работу автомату.

Такая задача расценивается, как необходимость заменить одну систему другой, функционирующей  подобным образом. Здесь-то и нужен  «черный ящик». Мы знаем, что какая-то не спроектированная пока система должна делать все, что делает человек-оператор. Мы не принимаем во внимание, как  человек производит свои действия, а учитываем только то, что он делает «вход» и что его действия дают «выход». Мы рассматриваем действия человека-оператора как «черный  ящик» и строим его модель. Причем и сам «черный ящик», и его  воспроизведение в электронике  описываются одними и теми же формулами.

Подчас большие системы  настолько сложны, что хотя и есть полная информация о состоянии их отдельных элементов, но элементов так много, что трудно эту информацию согласовать и увязать в единое целое, чтобы можно было судить о поведении всей системы. Человек, исследователь, не в состоянии с ней сладить: он или утопает в этой информации, или не может ее воспринять.

Какой же следует вывод? Вывод  не один, выводов несколько. Об одном  из них так говорил кибернетик У. Р. Эшби. Если бы инженеру при строительстве моста пришлось рассматривать каждый атом строительного материала, то он нашел бы задачу невыполнимой из-за ее большого объема. Поэтому строитель отбрасывает, что балки и блоки действительно сложены из атомов. Он рассматривает балки и блоки как неделимые единицы, потому что их природа допускает это упрощение, и задача инженера становится практически выполнимой.

Но всегда ли возможны упрощения? Когда психиатр пытается проникнуть в тайну мозга больного, он имеет  дело с очень большой системой. И система эта требует весьма деликатного подхода к упрощениям. Они не всегда допустимы, они могут  исказить истинную картину заболевания.

Когда экономист ведет  свои сложные расчеты на предприятии, то цены на сырье, количество рабочей силы, цена изделия, затраты труда, потребительский спрос тонут в океане мелочей, которые экономист должен учитывать. С какой осторожностью приходится ему подходить к упрощениям, взвешивая их в расчетах, как на аптекарских весах! И такие примеры буквально неисчислимы.

Повторим: при изучении очень больших систем «черный ящик» незаменим. Он позволяет представить сложную систему в виде некоего «черного ящика». Потом строят его упрощенную модель и начинают исследование: ведут постоянное сравнение поведения системы и ее модели.

Допустим, модель ведет себя не так, как система. Экспериментатор  вправе утверждать, что принципы, заложенные в модель, отличаются от принципов, заложенных в системе. Значит, надо выдвигать другую гипотезу о строении системы, производить новые эксперименты.

Наконец, после длительных исследований,- удача! Принципы, на которых  построена модель, соответствуют предположению о принципах построения системы. Значит, гипотеза, которую выдвигал экспериментатор, подтверждена!

Интересно, что метод «черного ящика» применяется и в космической  физиологии - медикам на Земле известна лишь информация о входных данных столь чуткого «черного ящика», как  организм космонавта. Это условие  полета, а выходные - физиологическая  информация, фиксируемая приборами  наземных лабораторий. Задача ученых - исследование механизмов деятельности организма в условиях невесомости. Такие исследования позволяют постоянно  контролировать здоровье космонавтов, дают возможность медикам прогнозировать, какие расстройства возможны в полете и как их избежать.

Медики считают, что изучение информации об организме, полученной методом  «черного ящика» в космических условиях, позволяет составить реальную базу для количественного анализа  клинических исследований в наших  земных медицинских учреждениях. Практика подтвердила такие предположения. Многим успехам в диагностике  болезней врачи обязаны применению метода «черного ящика» в космической  медицине.