CC BY
173УДК 004.3
ЭВОЛЮЦИЯ ТЕРМИНОВ «ЧЕРНЫЙ ЯЩИК» И «СЕРЫЙ ЯЩИК»
Г.М. Антонова, д-р техн. наук,
Московский финансово-юридический университет МФЮА E-mail: gmant@ipu.ru
Аннотация. В статье рассматривается современная трактовка основных терминов кибернетики. Названия «черный ящик» (black box) и «серый ящик» (grey box) были введены, чтобы подчеркнуть, что новая наука использует новые подходы для изучения сложных объектов и, благодаря этому, добивается новых результатов. Развитие приемов и методов конкретных дисциплин, развившихся в рамках кибернетики, привело к изменению трактовки этих терминов и уточнило понятие «знания об объекте».
Ключевые слова: кибернетика, обработка информации, идентификация.
Abstract. Modern interpretation of basic terms of cybernetics done by cybernetics founders is considered. The names «black box» and «grey box» were introduced for declaration about new methods of new science, about new possibilities and new revolution results. Progress of methods of separate discipline, created within cybernetics, produced a change of interpretation of this terms and more precise a conception of empirical knowledge.
Keywords: cybernetics, data mining, identification theory.
Термин «черный ящик» ввел в научный оборот в 1956 г. Уильям Росс Эшби в широко известной работе «Введение в кибернетику» [1, 128-129]. Под этим термином понималось представление исследователя о системе, устройство которой неизвестно, однако известно, как эта система реагирует на внешние воздействия. Таким образом, при подаче на вход вектора параметров х на выходе исследователь будет наблюдать вектор значений отклика у. Терминология описания «черного ящика» достаточно разнообразна. Иногда говорят о входных и выходных параметрах, иногда о входных параметрах и значениях показателей или кри-
териев. Если черному ящику ставят в соответствие сложную функцию, то под значением вектора y понимают значения функции и т.п. Термин «черный ящик» использовался в 1940-х гг. в работах, связанных с авиационной техникой и означал различные элементы оборудования самолета. В основу принятого определения положено отсутствие знаний о структуре объекта и механизмах, преобразующих входные значения в выходные.
Современные определения понятий «черный ящик», «серый ящик» в учебниках по основам кибернетике и в популярной Интернет-энциклопедии Википедия незначительно изменились по сравнению с первоисточником. Например, в словаре Яндекса [2] указано: «ЧЕРНЫЙ ЯЩИК» [black box] - понятие кибернетики, с помощью которого пытаются справиться с трудностью изучения сложных систем. Представление системы в виде «черного ящика» означает, что при настоящем уровне наших знаний мы не можем проникнуть внутрь данной системы (или подсистемы) и разобраться, каковы внутренние закономерности, преобразующие ее входы в выходы. Однако мы можем изучать поведение этих входов и выходов, т.е. зависимость изменений на выходе от изменений на входе. Статистический многократный учет таких изменений позволяет открыть закономерные взаимозависимости между поведением входов и выходов и предвидеть поведение системы в будущем, а также управлять ею».
Однако жизнь не стоит на месте. В теории идентификации появилась необходимость вложить в эти термины новое содержание. Представляет интерес отличие этого содержания от подхода классиков. Например, в работе Prot O., Mercere G. [3] решается задача оценки параметров модели с использованием методов градиентной оптимизации. Целью работы служит описание методов поиска начального приближения, т.е. «инициализация» модели. Авторы решают проблему преобразования модели черного ящика в структурированную согласно выбранному пространству состояний реализацию. При этом обсуждение сопровождается формализованным описанием, в котором коэффициенты модели преобразуются в функции от параметров системы. Далее выполняется оценка, а постановка задачи начинается с указания на динамическую модель серого ящика, которая, исходя из контекста, получена на основе модели черного ящика, параметры которой представлены как неизвестные функции. Можно объяснить такое отношение к базовому определению черного ящика, принятому в уважаемой теории, тем, что
в теории автоматов это понятие также широко используется, но автомат, с которым можно обращаться как с черным ящиком, формализован и реализует заданный оператор.
Четкое определение дается в диссертации [4, 2]. «The construction of mathematical models of real systems has a long history. In many cases, physical knowledge about the underlying system exists, but the knowledge is insufficient to construct a complete mathematical model. However, measurement data from the system can the usually be obtained to assist the modeling procedure. Constructing mathematical models by combining physical modeling with experimental data is termed grey-box modeling».
В диссертационной работе подробно рассматриваются методы определения параметров для нескольких примеров теоретических моделей, названных автором моделями типа «черный ящик». Описываются разнообразные подходы и приводятся оценки точности моделирования. После получения значений коэффициентов автор считает полученные модели уже «серыми ящиками». Приводимые в диссертационной работе алгоритмы и методы оценки числовых коэффициентов относятся к области «grey-box modeling». Этот термин удобен, он получил право на жизнь не только в рассмотренных работах, но и во многих других, и исследователи будут применять его, не задумываясь об его истории.
Резюмируя вышеизложенное, приходим к выводу, что «черный ящик», который с точки зрения У.Р. Эшби был черен для исследователей из-за полного отсутствия сведений о нем, для современных исследователей черен из-за неумения рассчитать значения выходов, соответствующих установленным входам, т.е. из-за незнания конкретных значений коэффициентов зависимости, форма которой определена на предыдущих стадиях исследований и не вызывает сомнений. Конечно, нет особого смысла без конца повторять и описывать проделанные ранее эксперименты и полученные ранее результаты. Однако, количество оттенков «серого ящика», содержащего описание неизвестного объекта, у такого определения значительно сокращается. По сути дела под оттенками «серого ящика» понимается разнообразие методов оценки коэффициентов зависимостей определенных в общем виде (параметрическая идентификация), а не уточнение вида зависимостей и оценка коэффициентов, т.е. объединение непараметрической и параметрической идентификации во всей полноте и сложности их взаимодействия.
Таким образом, если использовать толкование новых знаний как знаний, позволяющих путем расчета и преобразований самостоятельно
получить по значениям входных переменных значения выходных переменных для объекта, названного серым ящиком, то приходится признать, что новая трактовка в общих чертах не меняет исходного определения. Знание вида функции, связывающей вход и выход черного ящика и имеющей неизвестные коэффициенты, не дает возможности определения числовых значений выходных величин. Ящик остается черным. После определения числовых значений коэффициентов функции связи входа и выхода расчет позволяет определить выходные величины и превратить черный ящик в серый. Остается неучтенным только главный аспект определения У.Р. Эшби - восприятие человеком нового для него объекта, о котором известно только наличие измеримых величин на входе и выходе. В современном мире таких объектов становится все меньше, но искажение базового определения может привести к утрате стимула для поиска новых закономерностей там, где знание остается неполным и неточным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эшби У.Р. Введение в кибернетику. - М., 1959.
2. http://slovari.yandex.ru/
3. Prot O., Mercere G. Initialization of Gradient-based Optimization Algorithms for the Identification of Structured State-Space Models. 18th World Congress of International Federation of Automatic Control. IFAC'11. Augest 28-September 2, 2011. Milano, Italy.
4. Liu Yi. Grey-box Identification of Distributed Parameter Systems. Doctoral Thesis, Automatic Control Department of Signal, Sensors and Systems. Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden 2005.
