"Черный ящик"

'Черный ящик'

Объект исследования, 
внутреннее устройство 
которого не принимается 
во внимание или неизвестно. 

"Ничего не знаю, ничего не вижу, никому ничего не скажу"

Пожалуй, нет научной проблемы, где бы ее смысл - содержание - и образность формулировки сливались в такой удачной совокупности, как название "черный ящик". "Черный ящик" - его значение в кибернетике трудно переоценить. В любой энциклопедии или справочнике рядом с этими словами обязательно стоит пояснение: "относится к числу основных понятий в кибернетике".

С этой проблемой человек сталкивается буквально с первых шагов жизни. Правда, в практической деятельности человек довольно успешно справляется с ней, не пытаясь каким-либо образом классифицировать ее, не замечая, что перед ним типичный "черный ящик".

Чтобы постепенно приблизиться ко всем сложностям затронутого вопроса, будем "наращивать" эту сложность постепенно, в хронологической, что ли, последовательности.

Едва ребенок становится на ноги, начинает передвигаться по своей кроватке, как ему сразу же хочется "вырваться в большой мир". Но сетка! Как она мешает! И тут-то перед малышом вырастает не что иное, как "черный ящик": малыш ничего не знает об устройстве сетки, о способе ее закрепления. Ребенок дергает ее и так и этак. Выражаясь языком кибернетики, он начинает манипулировать "входами", надеясь получить на "выходе" опущенную сетку.

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 выступают как "черный ящик".

В приведенных примерах "черные ящики" быстро перестают быть "черными". Накапливается опыт, и "чернота" рассеивается, исчезает.

Но всегда ли это так просто? Возьмем другие примеры. "Черный ящик" в электронике встречается чрезвычайно часто. Иногда в буквальном смысле.

Перед инженером стоит электронный аппарат. Разбирать его нельзя. Но инженер должен решить, возвращать аппарат для ремонта или выбросить его. "

Такая же задача возникает перед инженером-телефонистом, когда он имеет дело с неисправной аппаратурой, которую он не имеет права разбирать без достаточных к тому причин.

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

Специалисты, изучающие теорию "черного ящика", считают, что его применение поможет справиться с огромным разнообразием задач планирования производства. Ведь даже производственное предприятие, на котором осуществляется не более десяти производственных процессов, имеет почти десять миллионов возможных планов.

Как видите, "черный ящик" - это проблема и электротехники, и электроники, и автоматического регулирования, и медицины, и экономики. Перечисление можно было бы продолжить. Правда, английский ученый У. Р. Эшби, предложивший "черный ящик" как понятие, утверждает, что его теория - попросту изучение отношения между экспериментатором и окружающей средой, когда особое внимание уделяется потоку информации.

Итак, нам известно: "черный ящик" - система, об устройстве которой мы ничего не знаем. Каким же образом можно ее обсуждать, изучать, исследовать? Метод "черного ящика" изучает систему только с одной стороны: взаимоотношение, связь между "входом" и "выходом". В этом - стремление понять поведение системы. Только поведение. Ни строение, ни материал не принимаются здесь во внимание.

Давайте обратимся с этой целью к работам "родоначальника" "черного ящика", посмотрим его описания.

Исследования "черного ящика" У. Р. Эшби описывает так: Человек не может дважды вступить в один и тот же поток; так же не может дважды произвести один и тот 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 "ящика" (его "входа" и его "выхода"). Например, о "ящике", ужавшем с неопознанного летающего объекта, можно было бы составить такой протокол:

Таким образом, 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 "ящике", его структуру.

Перед вами 'черный ящик'. Неоднократными включениями кнопок можно заставить загораться - в различных комбинациях - лампочки и установить закономерности в связях 'вход - выход', не зная, что происходит внутри 'черного ящика'

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

Объяснения, что же такое "черный ящик", были достаточно длинными и достаточно убедительными. Но из них все-таки совершенно неясно, почему "черный ящик" одно из основных понятий кибернетики. Да потому, что в кибернетике специалисты имеют дело с системами, не поддающимися детальному описанию, их обычно называют очень большими системами.

Попытаемся разобраться в этом. Опять нам помогут примеры.

Вот вам один из них - нервная система человека. Она напоминает гигантскую электрическую схему, подобную схеме радиотехнического устройства. Но разница огромная - неимоверно велики количественные различия. В состав радиотехнического устройства входят несколько сотен всевозможных переключателей. Электронные машины имеют до 100 тысяч переключающих элементов. Количество же нейронов в мозгу человека определяется числом порядка 14 миллиардов.

Представим себе биолога, который задался целью освоить все переключения при мыслительном процессе. Предположим далее, что биологу 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. Предположим, что и биолог будет анализировать схему переключений в нервной системе человека с такой же скоростью. Подсчет показывает, что на это потребуется примерно 40 тысяч лет! Детальное изучение очень большой системы невозможно.

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

На сухом кибернетическом "диалекте" такая задача расценивается как "необходимость заменить одну систему другой, функционирующей подобным образом".

Здесь-то и вступает в бой "черный ящик". Мы знаем, что какая-то не спроектированная пока система должна делать все, что делает человек-оператор. Мы отбрасываем, как человек производит свои действия, принимаем во внимание 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 "ящик", и его "воспроизведение в электронике" описываются одними и теми же математическими формулами.

Здесь мы, как видите, опять имеем дело с очень большой системой. Подчас подобные 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, просто не в состоянии с ней "сладить": он или "утопает" в этой информации, или не может ее воспринять.

Какой отсюда вывод? А вывод не один - разные. Об одном из них очень наглядно говорит кибернетик Эшби. Если бы инженеру при строительстве моста пришлось рассматривать каждый атом строительного материала, то он нашел бы задачу невыполнимой уже в силу ее величины. Поэтому строитель игнорирует тот факт, 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.

Конвертор, с томки зрения кибернетиков, - 'черный ящик'

Но всегда ли возможны упрощения? Далеко не всегда.

Когда психиатр пытается проникнуть в тайну больного мозга, 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.

Поэтому при изучении очень больших систем "черный ящик" незаменим. Он - волшебный ключ практического метода, которым можно воспользоваться для управления невообразимым многообразием очень больших систем.

В подобных случаях сложную систему представляют в виде некоего "черного ящика". Потом строят его упрощенную модель и начинают исследование: ведут постоянное сравнение поведения системы и ее модели и делают их анализ.

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.

Посмотрим, как такие теоретические рассуждения одеваются в плоть и кровь на практике в начальном этапе работ Центральной лаборатории автоматики, создающей надежного автоматического сталевара.

Плавку стали ведут теперь в основном двумя способами: мартеновским и бессемеровским, в конверторе. Мартеновский заслужил любовь и признание, а конвертор... Конвертор требует от сталевара подлинного мастерства, творчества: сталевар вынужден все делать чутьем, не то что при мартеновском способе, когда ему помогают точные лабораторные анализы.

Сталевары-конверторщики напоминают охотника, стреляющего по трудноуловимой цели. И в "яблочко" попадают даже самые опытные не так уж часто - лучшие дают 40% "попаданий".

Вот и попробовали кибернетики представить конвертор "черным ящиком". "Входом" здесь будет то, что засыпают в конвертор перед плавкой, "(выходом" - то, что хотят получить. Что делается .внутри "ящика", сбрасывается пока со счета. Затем надо составить систему уравнений баланса тепла, нужного углерода, кислорода, их количеств до плавки и после нее: узнают, как получить нужный "вход", зная самый хороший, оптимальный "выход". Теперь "стрельба по цели" идет не на глазок, а по определенному рассчитанному методу. И "меткость" попаданий повысилась почти вдвое.

К какому же заключению пришли мы после ознакомления с проблемой очень больших систем и "черного ящика"? Пожалуй, если мы хорошенько над этим подумаем, то согласимся с мнением ученых-кибернетиков, что открытия науки обнаруживают все более возрастающее количество разнообразия, все более расширяющиеся его границы и все более важные детали. В то же время в результате открытий науки широкие классы явлений сводятся ко все меньшему классу принципов, получающих все более общее значение.

'Ничего не знаю, ничего не вижу, никому ничего не скажу'