Исследование поведения «Черного ящика»

«Черный ящик» представляет собой сложную гомоморфную модель кибернетической системы, в которой соблюдается разнообразие. Кибернетическая система — это множество взаимосвязанных объектов — элементов системы, способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться информацией. Система включает также связи между элементами. Элементы и связи между ними могут обладать свойствами (показателями), каждое из которых может принимать некоторое множество значений.

«Черный ящик» 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 «черных ящиков». К первому виду относят любой «черный ящик», который может рассматриваться как автомат, называемый конечным или бесконечным. Поведение таких «черных ящиков» известно. Ко второму виду относятся такие «черные ящики», поведение которых может быть наблюдаемо только в эксперименте. В таком случае в явной или неявной форме высказывается гипотеза о предсказуемости поведения «черного ящика» в вероятностном смысле. Без предварительной гипотезы невозможно любое обобщение, или, как говорят, невозможно сделать индуктивное заключение на основе экспериментов с «черным ящиком».

Рассмотрим, как изучается и исследуется поведение «черного ящика». 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 таблице 1.

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

Таблица 1 Способ исследования «черного» ящика

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.

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 «черного ящика» 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 «черного ящика» 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 «черного ящика».