Svart låda

Black box-system
Black box-system
System
	Black box · Oracle-maskin
Metoder och tekniker
	Blackbox-testning · Blackboxning
Relaterade tekniker
	Feed forward · Obfuskation · Mönsterigenkänning · White box · White-box-testning · Gray-box-testning · Systemidentifiering
Grundläggande
	information A priori · Styrsystem · Öppna system · Operationsforskning · Termodynamiska system

Inom vetenskap, datorer och teknik är en svart låda ett system som kan ses i termer av dess in- och utdata (eller överföringsegenskaper ), utan någon som helst kunskap om dess interna funktion. Dess implementering är "ogenomskinlig" (svart). Termen kan användas för att hänvisa till många inre funktioner, till exempel de av en transistor , en motor , en algoritm , den mänskliga hjärnan eller en institution eller regering.

För att analysera ett öppet system med ett typiskt "svarta lådans tillvägagångssätt" kommer endast beteendet hos stimulansen/svaret att redovisas, för att sluta sig till den (okända) rutan . Den vanliga representationen av detta black box-system är ett dataflödesdiagram centrerat i rutan.

Motsatsen till en svart låda är ett system där de inre komponenterna eller logiken är tillgängliga för inspektion, vilket oftast kallas för en vit låda (ibland även känd som en "klar låda" eller en "glaslåda").

Historia

En black box-modell kan användas för att beskriva utdata från system

Den moderna innebörden av termen "svarta lådan" verkar ha kommit in i det engelska språket runt 1945. I elektronisk kretsteorin processen för nätverkssyntes från överföringsfunktioner , vilket ledde till att elektroniska kretsar betraktades som "svarta lådor" som kännetecknas av deras svar på signaler som appliceras på deras hamnar , kan spåras till Wilhelm Cauer som publicerade sina idéer i sin mest utvecklade form 1941. Även om Cauer inte själv använde termen, beskrev andra som följde honom verkligen metoden som black-box-analys. Vitold Belevitch lägger begreppet svarta lådor ännu tidigare, och tillskriver den explicita användningen av tvåportsnätverk som svarta lådor till Franz Breisig 1921 och hävdar att komponenter med 2 terminaler implicit behandlades som svarta lådor innan dess.

Inom cybernetik gavs en fullständig behandling av Ross Ashby 1956. En svart låda beskrevs av Norbert Wiener 1961 som ett okänt system som skulle identifieras med hjälp av teknikerna för systemidentifiering . Han såg det första steget i självorganisering som att kunna kopiera outputbeteendet från en svart låda. Många andra ingenjörer, vetenskapsmän och epistemologer, som Mario Bunge , använde och fulländade teorin om den svarta lådan på 1960-talet.

Systemteori

Den öppna systemteorin är grunden för black box-teorin . Båda har fokus på in- och utflöden, vilket representerar utbyten med omgivningen.

I systemteorin är den svarta lådan en abstraktion som representerar en klass av konkreta öppna system som enbart kan ses i termer av dess stimuliingångar och utmatningsreaktioner :

Boxens konstitution och struktur är helt irrelevanta för det tillvägagångssätt som övervägs, som är rent externt eller fenomenologiskt. Med andra ord kommer endast systemets beteende att redovisas.

— Mario Bunge

Förståelsen av en svart låda bygger på "förklaringsprincipen", hypotesen om ett orsakssamband mellan input och output . Denna princip säger att input och output är distinkta, att systemet har observerbara (och relaterbara) inputs och outputs och att systemet är svart för observatören (ej öppningsbart).

Registrering av observerade tillstånd

En observatör gör observationer över tid. Alla observationer av ingångar och utgångar från en svart låda kan skrivas i en tabell, där tillstånden för lådans olika delar, ingång och utgång, registreras vid varje sekvens av tider. Med hjälp av ett exempel från Ashby kan en undersökning av en låda som har fallit från ett flygande tefat leda till detta protokoll:

Tid	Tillstånd för input och output
11:18	Jag gjorde ingenting – Boxen avgav ett stadigt brum vid 240 Hz.
11:19	Jag tryckte över strömbrytaren märkt K: tonen steg till 480 Hz och förblev stadig.
11:20	Jag tryckte av misstag på knappen märkt "!" - boxen ökade i temperatur med 20 °C.
...	Etc.

Sålunda undersöks varje system i grunden genom insamlingen av ett långt protokoll, utdraget i tid, som visar sekvensen av ingångs- och utgångstillstånd. Av detta följer den grundläggande slutsatsen att all kunskap som kan erhållas från en Black Box (av given input och output) är sådan som kan erhållas genom omkodning av protokollet (observationstabellen ) ; allt det där och inget mer.

Om observatören också kontrollerar input övergår undersökningen till ett experiment (illustration), och hypoteser om orsak och verkan kan testas direkt.

När försöksledaren också är motiverad att kontrollera boxen, finns det en aktiv feedback i box/observatör-relationen, vilket främjar det som i kontrollteorin kallas en feed forward- arkitektur.

Modellering

Modelleringsprocessen är konstruktionen av en prediktiv matematisk modell , med hjälp av befintliga historiska data ( observationstabell).

Testar black box-modellen

En utvecklad black box-modell är en validerad modell när black-box-testmetoder säkerställer att den baseras enbart på observerbara element.

Med backtesting används alltid otidsdata vid testning av black box-modellen. Data måste skrivas ner innan de dras för black box-ingångar.

Andra teorier

Den observerade hydrografen är en bild av svaret från en vattendelare (en blackbox) med dess avrinning (röd) på en inmatning av regn (blå).

Black box-teorier är de teorier som endast definieras utifrån sin funktion. Termen kan tillämpas på vilket område som helst där man undersöker relationerna mellan aspekter av utseendet på ett system (exteriören av den svarta lådan), utan att försöka förklara varför dessa relationer bör existera (insidan av den svarta lådan) . Newtons gravitationsteori kan i detta sammanhang beskrivas som en black box-teori.

Specifikt är utredningen inriktad på ett system som inte har några omedelbart uppenbara egenskaper och därför endast har faktorer för övervägande som hålls inom sig dolda för omedelbar observation. Observatören antas i första hand okunnig eftersom majoriteten av tillgänglig data förvaras i en inre situation borta från lätta undersökningar. Det svarta lådaelementet i definitionen visas som kännetecknat av ett system där observerbara element går in i en kanske imaginär låda med en uppsättning olika utgångar som också är observerbara.

Adoption inom humaniora

Inom humanistiska discipliner som filosofi om sinne och behaviorism är en av användningarna av black box-teorin att beskriva och förstå psykologiska faktorer inom områden som marknadsföring när de tillämpas på en analys av konsumentbeteende .

Black box teori

Black Box-teorin är ännu bredare i tillämpningen än professionella studier:

Barnet som försöker öppna en dörr måste manipulera handtaget (inmatningen) för att åstadkomma den önskade rörelsen vid spärren (utgången); och han måste lära sig att kontrollera den ena efter den andra utan att kunna se den inre mekanismen som förbinder dem. I vårt dagliga liv konfronteras vi vid varje tur med system vars interna mekanismer inte är helt öppna för inspektion, och som måste behandlas med de metoder som är lämpliga för Black Box.

— Ashby

(...) Denna enkla regel visade sig vara mycket effektiv och är en illustration av hur Black Box-principen inom cybernetik kan användas för att kontrollera situationer som, om de går in på djupet, kan verka mycket komplexa. Ytterligare ett exempel på Black Box-principen är behandlingen av psykiska patienter. Den mänskliga hjärnan är verkligen en Black Box, och medan en hel del neurologisk forskning pågår för att förstå hjärnans mekanism, görs framsteg i behandlingen också genom att observera patienters svar på stimuli.

— Duckworth, Gear och Lockett

Ansökningar

När observatören (en agent ) också kan göra någon stimulans (input), är relationen med den svarta lådan inte bara en observation, utan ett experiment .

Beräkning och matematik

Inom datorprogrammering och mjukvaruteknik används black box-testning för att kontrollera att resultatet av ett program är som förväntat , givet vissa indata. Termen "svart låda" används eftersom det faktiska programmet som körs inte undersöks.
Inom databehandling i allmänhet är ett black box-program ett program där användaren inte kan se det inre arbetet (kanske för att det är ett program med sluten källkod ) eller ett som inte har några biverkningar och vars funktion inte behöver undersökas, en rutin som lämpar sig för återanvändning.
Även i datoranvändning hänvisar en svart låda till en utrustning som tillhandahålls av en leverantör i syfte att använda den leverantörens produkt. Det är ofta så att leverantören underhåller och stödjer denna utrustning, och företaget som tar emot den svarta lådan är vanligtvis hands-off.
I matematisk modellering , ett begränsande fall.

Vetenskap och teknologi

I neurala nätverk eller heuristiska algoritmer (datortermer som vanligtvis används för att beskriva "lärande" datorer eller "AI-simuleringar"), används en svart låda för att beskriva den ständigt föränderliga delen av programmiljön som inte lätt kan testas av programmerarna. Detta kallas också för en vit ruta i sammanhanget att programkoden kan ses, men koden är så komplex att den funktionellt motsvarar en svart låda.
Inom fysiken är en svart låda ett system vars inre struktur är okänd eller inte behöver övervägas för ett visst syfte.
Inom kryptografi för att fånga uppfattningen om kunskap som erhålls av en algoritm genom exekvering av ett kryptografiskt protokoll såsom ett nollkunskapssäkert protokoll. Om utsignalen från en algoritm när den interagerar med protokollet matchar den från en simulator med vissa ingångar, behöver den bara känna till ingångarna.

Andra applikationer

Inom filosofi och psykologi ser behaviorismens skola det mänskliga sinnet som en svart låda; se andra teorier .

Se även