Модель типа «черный ящик»

Важную для человека роль играют наглядные, образные, визуальные модели. Перейдем от определения системы к его визуальному эквиваленту.

Во-первых, приведенное определение ничего не говорит о внутреннем устройстве системы. Поэтому ее можно изобразить в виде непрозрачного «ящика», выделенного из окружающей среды. Подчеркнем, что уже эта, максимально простая, модель по-своему отражает два следующих важных свойства системы: целостность и обособленность от среды.

Во-вторых, в определении системы косвенно говорится о том, что хотя «ящик» и обособлен, выделен из среды, но не является полностью от нее изолированным.

В самом деле, ведь достигнутая цель - это запланированные заранее изменения в окружающей среде, какие-то продукты работы системы, предназначенные для потребления вне ее. Иначе говоря, система связана со средой и с помощью этих связей воздействует на среду. Изобразим связи в виде стрелок, направленных от системы в среду. Эти связи называются выходами системы.

Кроме того, в определении имеется указание и на наличие связей другого типа: система является средством, поэтому должны существовать и возможности ее использования, воздействия на нее, т.е. и такие связи со средой, которые направлены извне в систему. Изобразим эти связи также в виде соответствующих стрелок, направленных от среды в систему, и назовем их входами системы.

В результате мы построили модель системы, которая получила название черного ящика. Это название образно подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании "ящика": в этой модели задаются, фиксируются, перечисляются только входные и выходные связи системы со средой (даже "стенки ящика", т.е. границы между системой и средой, в этой модели обычно не описываются, а лишь подразумеваются, признаются существующими). Такая модель, несмотря на внешнюю простоту и на отсутствие сведений о внутренности системы, часто оказывается полезной.

Во многих случаях достаточно содержательного словесного описания входов и выходов; тогда модель "черного ящика" является просто их списком. Например, бытовая модель телевизора такова: входы - шнур электропитания, антенна, ручки управления и настройки; выходы - экран кинескопа и звукодинамики. В других случаях требуется количественное описание некоторых или всех входов и выходов. Пытаясь максимально формализовать модель "черного ящика", мы приходим к заданию двух множеств X и У вход­ных и выходных переменных, но никаких других отношений между этими множествами фиксировать нельзя (иначе это уже будет не "черный", а про­зрачный ящик).

СЛОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ "ЧЕРНОГО ЯЩИКА"

Теперь рассмотрим принципиально важный вопрос об обманчивой про­стоте модели "черного ящика". Казалось бы, так просто: перечислить входы и выходы системы - и модель готова. Но как только это потребуется сделать для конкретной реальной системы, мы сталкиваемся с трудностями. Проил­люстрируем это сначала на хорошо знакомых примерах.

Пример 1. Опишем выходы системы "наручные часы". Учитывая, что выходы соответствуют конкретизации цели, фиксируем в качестве выхода показание времени в произвольный момент. Затем принимаем во внимание, что сформулированная таким образом цель относится ко всем часам, а не только к нашим наручным часам. Чтобы различить их, вносим следующее добавление (выход): удобство ношения часов на запястье; тогда появляется обязательность ремешка или браслета, а с ним и еще один выход: удовлетво­рение требований санитарии и гигиены, так как не любое крепление часов на руке допустимо с этой точки зрения.

Далее, представив себе условия эксплуатации часов, можно добавить достаточную в бытовых условиях прочность; пылевлагонепроницаемостъ.

Затем, расширив понятие "условия эксплуатации часов", добавим еще два выхода: достаточную для бытовых нужд точность; легкость прочте­ния показаний часов при беглом взгляде на циферблат.

Можно еще более расширить круг учитываемых требований к часам, что позволит добавить несколько выходов: соответствие моде и понятию кра­соты; соответствие цены часов покупательной способности потребителя. Очевидно, что список желаемых, т.е. включаемых в модель, выходов можно продолжать. Например, можно потребовать, чтобы имелась возможность прочтения показаний часов в полной темноте, и реализация этого выхода приведет к существенному изменению конструкции часов, в которой могут быть различные варианты самосвечения, подсветки, считывания на ощупь или подачи звуковых сигналов. А ведь мы в явной форме еще не говорили о габаритах, весе, многих других физических, химических, экономических и социальных аспектах использования наручных часов...

Пример 2. Попробуем перечислить входы системы "легковой автомо­биль". Исходя из определения системы как средства достижения цели, мы связали понятие входа с управляющим воздействием на систему, воздействи­ем, "подталкивающим" систему к цели. Поэтому сразу же выделим в автомо­биле в качестве входов те его элементы, которые предназначены для управ­ления во время движения: руль, педали сцепления, газа и тормоза, рычаг пе­реключения коробки передач, переключатели сигнализации и освещения, ручка аварийного и стояночного тормоза.

Затем, учитывая, что регулирующие воздействия приходится осуществ­лять не только на ходу, в список входов автомобиля вносим регулировочные винты, гайки, эксцентрики.

Смазка и заправка - это также регулирующее и управляющее воздейст­вия. Поэтому точки смазки и заправочные отверстия являются входами.

Нельзя не учитывать входы в буквальном смысле. Поэтому добавляем двери салона и (заодно) крышки багажника и капота.

И тут мы начинаем понимать, что входное воздействие на автомобиль оказывает не только водитель, но и пассажиры, а также окружающая среда. Записываем в перечень входов окна и зеркала, с помощью которых поступа­ет информация к водителю и пассажирам. Но тогда можно отметить, что свойства поверхности, по которой движется автомобиль, также оказывают входное воздействие: по-разному приходится действовать водителю при езде по асфальту, песку, гравию, в случае гололеда, грязи... Добавляем к списку входов механическое воздействие грунта на колеса.

Однако различие между песком и асфальтом для автомобиля существен­но лишь потому, что существует поле тяготения Земли.

Вместе с тем мы еще не упомянули многие реально существующие спо­собы воздействия среды на данную систему: ручки стеклоподъемников, аэ­родинамическое сопротивление воздуха, кнопки радиоприемника или конди­ционера, а в последних моделях - входы вычислительных устройств. А раз­ве не влияют на автомобиль и его пассажиров электрические и магнитные поля! Не зря же рекомендуют прикреплять к автомобилю проводящий ре­мень, который отводит накапливающиеся на кузове электрические заряды. Далее, стали обязательными пристежные ремни, так как нельзя пренебрегать тем, что существует еще один вход — силы инерции, которые при авариях достигают опасных для здоровья и жизни величин. Очевидно, что список входов может быть еще продолжен.

Рассмотренные примеры свидетельствуют, что построение модели "черного ящика" не является тривиальной задачей, так как на вопрос о том, сколько и какие именно входы и выходы следует включать в модель, ответ не прост и не всегда однозначен. Установим причины этого факта.

МНОЖЕСТВЕННОСТЬ ВХОДОВ И ВЫХОДОВ

Главной причиной множественности входов и выходов в модели "черного ящика" является то, что всякая реальная система, как и любой объ­ект, взаимодействует с объектами окружающей среды неограниченным чис­лом способов. Строя модель системы, мы из этого бесчисленного множества связей отбираем конечное их число для включения в список входов и выхо­дов. Критерием отбора при этом является целевое назначение модели, суще­ственность той или иной связи по отношению к этой цели. То, что сущест­венно, важно, включается в модель, то, что несущественно, неважно, - не включается. Именно здесь возможны ошибки. Тот факт, что мы не учитыва­ем в модели, исключаем из рассмотрения остальные связи, не лишает их ре­альности, они все равно действуют независимо от нас. И нередко оказывает­ся, что казавшееся несущественным или неизвестным для нас на самом деле является важным и должно быть учтено.

Особое значение этот момент имеет при задании цели системы, т.е. при определении ее выходов главную цель приходится сопровождать заданием дополнительных целей. Важно подчеркнуть, что выполнения только ос­новной цели недостаточно, что невыполнение дополнительных целей может сделать ненужным или даже вредным и опасным достижение основной цели. Этот момент заслуживает особого внимания, так как на практике часто обна­руживается незнание, непонимание или недооценка важности указанного положения. Между тем оно является одним из центральных во всей системологии.

Пример 3. Лет тридцать назад свечение цифр и стрелок наручных часов было достигнуто применением фосфоресцирующей краски. Впоследствии оказалось, что кроме полезного эффекта возникали вредные для здоровья из­лучения, и выпуск таких часов пришлось прекратить. Теперь найдены нера­диоактивные светящиеся материалы, и светящиеся часы вновь появились в продаже.

Модель "черного ящика" часто оказывается не только очень полезной, но в ряде случаев единственно применимой при изучении систем. Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства на живой орга­низм мы лишены возможности вмешательства в систему иначе как только через ее входы, и выводы делаем только на основании наблюдения за ее вы­ходами. Это вообще относится к таким исследованиям, в результате прове­дения которых нужно получить данные о системе в обычной для нее обста­новке, где следует специально заботиться о том, чтобы измерения как можно меньше влияли на саму систему. Другая причина того, что приходится огра­ничиваться только моделью "черного ящика", - действительное отсутствие данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем, как "устроен" электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и магнитными полями, с гравитационным полем. Это и есть описание электро­на на уровне модели "черного ящика".

Сделаем еще одно замечание. Модель "черного ящика" - это уже струк­турированная модель: в ней про каждую связь со средой известно, относится ли она к числу входов или является выходом. Однако на ранних стадиях ис­следования системы такая информация может отсутствовать: мы можем вы­делить некоторую связь системы со средой, можем даже наблюдать или из­мерять параметр, характеризующий эту связь, но не иметь оснований безус­ловно говорить о направленности этой связи. В таких случаях иногда полез­но рассмотреть две конкурирующих модели "черного ящика", в одной из ко­торых эта связь причислена ко входам, а в другой - к выходам. Примером является исследование связи между двумя процессами, когда неизвестно, ка­кой из них - причина, а какой - следствие, или даже вообще является ли их связь причинно-следственной (т.е. возможно, что они оба - следствия какой-то ненаблюдаемой причины).

Поиск по сайту: