«Черный ящик» — система, о внутренней организации поведения которой сведений нет, но существует возможность воздействия на ее входы и воспринимать воздействия ее выходов. Метод «черного ящика» заключается в том, что система изучается не как совокупность взаимодействующих элементов, а как нечто целое (неделимое), взаимодействующее со средой на своих входах и выходах.
Метод «черного ящика» применим в различных ситуациях. Во-первых, конструкция системы может не интересовать наблюдателя, которому важно знать только поведение системы. Так, при пользовании телевизором новой марки, при отсутствии конструкции, наблюдатель назначение того или иного регулятора по тому воздействию, которое он оказывает на функционирование телевизора. В этом случае телевизор — «черный ящик»; изменение положения регулятора — входные воздействия; звук, изображение — выходы.
Во-вторых, этот метод используется при недоступности внутренних процессов системы для исследования. Например, изучение деятельности мозга, изучение новых лекарственных средств.
Чёрный ящик вместо телевизора / Новости
В-третьих, метод «черного ящика» используется при исследовании систем, все элементы и связи которых в принципе доступны, но либо многочисленны и сложны, что приводит к огромным затратам, либо изучение недопустимо по каким-либо соображениям. Примерами могут служить проверка на готовность к эксплуатации АТС, которая проводится путем «прозванивания», а не непосредственной проверкой всех блоков, схем и т.п., и проверка действия секретного прибора, разбирать который в полевых условиях запрещено.
Метод «черного ящика» заключается в следующем:
- 1. Предварительное наблюдение взаимодействий системы со средой, установление списка входных и выходных воздействий. Выявление существенных воздействий. Окончательный выбор входов и выходов для исследования с учетом имеющихся средств воздействия на систему и средств наблюдения за ее поведением.
- 2. Воздействие на входы системы и регистрация ее выходов. В процессе изучения наблюдатель и «черный ящик» образуют систему с обратной связью. Первичные результаты исследования представляют собой множество пар: «состояние входа; состояние выхода».
- 3. Установление зависимости между входом и выходом системы. Установление такой зависимости — однозначной или вероятностной — возможно только в том случае, если система в своем поведении обнаруживает ограничение разнообразия.
По мере исследования системы и все более глубокого проникновения в суть происходящих в ней процессов необходимость в использовании «черного ящика» отпадает.
Модель системы типа «чёрный ящик» отображает только связи системы со средой, в виде перечня «входов» и «выходов». Трудность построения модели «черного ящика» состоит в том, что надо решить, какие из многочисленных реальных связей включать, а какие не включать в состав модели. Кроме того, всегда существуют и такие связи, которые нам неизвестны, но они-то и могут оказаться существенными.
Понятия | Чёрный ящик
Рисунок 1.2 Модель «черного ящика»
Название «черный ящик» 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», то есть границы между системой и средой, в этой модели обычно не описываются, а лишь подразумеваются, признаются существующими).
Пример описания системы «Автомобиль» методом «черного ящика»
Источник: studwood.net
§ 5. Системы объектов
Состояние сложного, составного объекта определяется не только значениями его собственных признаков, но и состояниями объектов-частей. Например, автомобиль переходит в состояние торможения, когда нажата педаль тормоза.
Подход к описанию сложного объекта, при котором не просто называют его составные части, но и рассматривают их взаимодействие и взаимовлияние, принято называть системным подходом. При этом сложный объект называют системой, а его части — компонентами (элементами) системы.
Любой реальный объект достаточно сложен. Поэтому его можно рассматривать как систему.
Различают материальные, нематериальные и смешанные системы. В свою очередь, материальные системы разделяют на природные и технические (рис. 15).
Примеры природных систем вам хорошо известны: Солнечная система, растение, живой организм и прочее.
Технические системы создаются людьми. Примеры технических систем: автомобиль, компьютер, система вентиляции.
Примеры нематериальных систем: разговорный язык, математический язык, нотные записи.
Смешанные системы содержат в себе материальные и нематериальные компоненты. Среди них можно выделить так называемые социальные системы. Социальные системы образуют люди, объединённые одним занятием, интересами, целями, местом проживания и т. д. Примеры социальных систем: оркестр, футбольный клуб, население города.
Состав и структура системы
Любая система определяется не только набором и признаками её элементов, но также взаимосвязями между элементами. Одни и те же элементы, в зависимости от объединяющих их взаимосвязей, могут образовывать различные по своим свойствам системы. Например, из деталей одного и того же конструктора ребёнок собирает разные сооружения.
Из одного и того же набора продуктов (мясо, капуста, картофель, морковь, лук, помидоры) мама может приготовить первое (щи) или второе (рагу) блюдо.
Из молекулы одного и того же химического вещества. (углерода) состоят алмаз и графит. Но алмаз — самое твёрдое вещество в природе, а графит — мягкий, из него делают грифели для карандашей. А всё потому, что в алмазе молекулы углерода образуют кристаллическую структуру, а у графита — слоистую.
Структура — это порядок объединения элементов, составляющих систему.
Состав и структуру системы описывают с помощью схемы состава. В состав системы может входить другая система. Первую называют надсистемой, вторую — подсистемой. Имя надсистемы на схеме состава всегда располагают выше имён всех её подсистем.
В этом случае говорят о многоуровневой структуре системы, в которой один и тот же компонент может одновременно быть надсистемой и подсистемой. Например, головной мозг — подсистема нервной системы птицы и надсистема, в состав которой входят передний мозг, средний мозг и т. д. (рис. 16).
Во многих случаях связь между объектами очевидна, но не сразу понятно, в составе какой надсистемы их нужно рассматривать.
Например, дорожное покрытие изнашивается оттого, что по городу ездят автомобили, автобусы, троллейбусы и прочие наземные транспортные средства. Наземные транспортные средства и дороги — составные части транспортной системы города.
Дерево может погибнуть от насекомых-вредителей, если уменьшится численность птиц. Насекомые, птицы, деревья — компоненты системы «Парк» или «Лес» (рис. 17).
Главное свойство любой системы — возникновение системного эффекта. Заключается оно в том, что при объединении элементов в систему у системы появляются новые признаки, которыми не обладал ни один из элементов в отдельности.
В качестве примера системы рассмотрим самолёт. Главное его свойство — способность к полёту. Ни одна из составляющих его частей в отдельности (крылья, фюзеляж, двигатели и т. д.) этим свойством не обладает, а собранные вместе строго определённым способом, они такую возможность обеспечивают. Вместе с тем, если убрать из системы «самолёт* какой-нибудь элемент (например, крыло), то не только это крыло, но и весь самолёт потеряет способность летать.
Система и окружающая среда
Выделив некоторую систему из окружающей среды, мы как бы проводим вокруг неё замкнутую границу, за пределами которой остаются не вошедшие в систему объекты. Эти объекты оказывают влияние на систему. Сама система также оказывает влияние на окружающую среду. Поэтому говорят, что система и среда взаимодействуют между собой.
Если, например, рассмотреть в качестве системы ученический коллектив одного класса, то весь остальной коллектив школы будет относиться к среде этой системы.
Воздействия среды на систему называют входами системы, а воздействия системы на среду — выходами системы. На рисунке 18 эти связи изображены стрелками.
Например, дерево можно выделить из окружающей среды как систему, состоящую из корня, ствола, веток и листьев. Входы этой системы — вода, солнечный свет, углекислый газ, минеральные вещества и т. д. Выходы — кислород, тень от кроны, древесина, молодые побеги и многое другое (рис. 19).
Для большинства реальных систем список входов и выходов бесконечен.
Система как «чёрный ящик»
Очень часто человек не знает, как «внутри» устроена система, с которой он имеет дело. Человеку куда важнее знать, к каким результатам на выходе приведут определённые воздействия на входе системы. В таких случаях говорят, что система рассматривается как «чёрный ящик».
Представить некоторую систему в виде «чёрного ящика» — это значит указать её входы и выходы, а также зависимость между ними. Такое описание позволяет целенаправленно использовать данную систему. Например, всякие инструкции для пользователей сложной бытовой техники являются описаниями «чёрного ящика». В них объясняется, что нужно сделать на входе (включить, нажать, повернуть и пр.), чтобы достичь определённого результата на выходе (постирать белье, получить фруктовый сок, выполнить вычисления и пр.). Однако, что при этом происходит «внутри», не объясняется.
Самое главное
Система — это целое, состоящее из частей, взаимосвязанных между собой. Части, образующие систему, называются её компонентами.
Структура — это порядок объединения элементов, составляющих систему.
При системном подходе учитывается взаимодействие и взаимовлияние всех компонентов системы.
Всякая система приобретает новые качества, которыми не обладал ни один из её элементов в отдельности (свойство системного эффекта).
Воздействия среды на систему называют входами системы, а воздействия системы на среду — выходами системы.
Источник: murnik.ru
Основные типы формальных моделей
Модель «черного ящика». Приведенное выше определение ничего не говорит о внутреннем устройстве системы. Поэтому ее можно изобразить в виде «непрозрачного ящика», выделенного из окружающей среды. Уже в этой простейшей модели просматриваются два важных свойства системы: целостность и обособленность от среды. Однако обособленность не означает изолированности.
Система неизбежно связана с окружающей средой, через эти связи она на нее воздействует. В дальнейшем эти связи назовем выходами системы. Аналогично, всегда имеются связи обратного направления – входы. В результате получаем так называемый черный ящик.
Рис. 1.5 Модель «черного ящика»
Пример. Телевизор как черный ящик состоит из входов (шнур питания, антенна, кнопки настройки) и выходов (кинескоп, динамики).
В формальном описании приходится задавать два множества:
Х – входные переменные Y– выходные переменные.
Сложности построения модели «черного ящика». Казалось бы, так просто: перечислить входы и выходы системы – и модель готова. Но как только мы пытаемся конкретизировать модель, мы сталкиваемся с трудностями, и главная – множественность входов и выходов.
Например, в предыдущем случае ко входам/выходам телевизионного приемника можно было бы добавить видео/вход и видео/выход, аудио и т.д. Причина множественности в том, что реальная система 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 является целевое назначение модели, существенность той или иной связи по отношению к этой цели. Именно здесь возможны ошибки. Тот факт, что мы не учитываем в модели ряд связей 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.
Модель «черного ящика» оказывается не только очень полезной, но и в ряде случаев единственно применимой. Например, при изучении влияния лекарств 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. Другая причина того, что приходится ограничиваться моделью «черного ящика», – действительное отсутствие данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем как «устроен» электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическим и магнитным полями. Это и есть описание электрона на уровне «черного ящика».
Модель состава системы. Очевидно, что вопросы, касающиеся внутреннего устройства системы невозможно решить только с помощью модели «черного ящика». Для этого необходимы более развитые и детальные модели.
При рассмотрении любой системы прежде всего обнаруживается, что её целостность и обособленность выступают как внешние свойства. Внутренность же «черного ящика» оказывается неоднородной, что позволяет различать составные части самой системы. Те части системы, которые мы рассматриваем как неделимые, будем называть элементами. Части системы, состоящие более чем из одного элемента, назовем подсистемами. В результате получается модель состава системы.
Рис. 1.6 Модель состава системы
Построение модели состава системы только на первый взгляд кажется простым делом. Однако, если дать разным экспертам задание определить состав одной и той же системы, то результаты будут различаться и весьма существенно по следующим причинам:
1. У экспертов может быть различная степень знания системы;
2. Понятие элемент – относительно. То, что в одной ситуации является элементом, в другой – оказывается подсистемой;
3. Модель состава является целевой. Поэтому один и тот же объект потребуется разбить на разные части для различных целей. Например, университет для ректора, гл. бухгалтера и начальника охраны состоит из различных подсистем.
4. Всякое разделение целого на части – условно. Например, тормозную систему автомобиля можно отнести к его ходовой части или к подсистеме управления. В результате, границы между подсистемами – относительны, условны. Этот же вывод справедлив и для границы между самой системой и окружающей средой.
Модель структуры системы. Дальнейшее расширение модели «черного ящика» связано с описанием структуры системы. Чтобы изготовить телевизор, недостаточно иметь необходимый комплект радиодеталей (транзисторы, резисторы ИМС и т.д.). Необходимо еще правильно соединить их между собой, т.е. установить между элементами определенные связи – отношения. Совокупность необходимых и достаточных для достижения цели отношений между элементами называется структурой системы.
Перечень связей между элементами является абстрактной моделью, т.к. устанавливаются только отношения между элементами, но не рассмотрены сами элементы. Бесконечность природы проявляется и в том, что между реальными объектами, вовлеченными в систему, имеется бесконечное количество отношений, В результате, в модель структуры мы включаем конечное число отношений (связей), которые по мнению исследователя существенны по отношению к рассматриваемой цели.
Пример 1: при расчете электродвигателя не учитываются сила притяжения между ротором и статором.
Пример 2: при соединении деталей изготовленных из разным металлов возникает контактная разность потенциалов. В системе «молот – наковальня» нет необходимости учета этого эффекта.
Свойство и отношение. Рассмотрим кратко связь понятий «отношение» и «свойство». В отношении участвует не менее двух объектов, а свойством мы называем некий атрибут одного объекта. Между этими понятиями имеется содержательная связь:
1. Потенциальная способность обладать определенным качеством выявляется в процессе взаимодействия объектов друг с другом (свойства выявляются в результате отношений);
2. Свойство можно также рассматривать как определенную абстракцию отношения. Мы говорим – стекло прозрачно, вместо того чтобы каждый раз выделять отношения между лучом света, самим стеклом и приемником света. Другими словами, можно утверждать, что свойство – это свернутое отношение.
Структурная схема системы. На основе предыдущего рассмотрения можно сформулировать второе определение системы: система есть совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от среды и взаимодействующая с ней как целое. Конкретным выражением этого является структурная схема системы, в которой указываются сами элементы, связи между ними и связь определенных элементов с окружающей средой. Пример – «синхронизируемые часы» (рис. 1.7).
Рис. 1.7 Структурная схема часов
Динамические модели систем. Рассмотренные выше понятия относились к так называемым статическим моделям систем, что подчёркивает их неподвижный, как бы застывший характер. А как система работает, что происходит с ней и окружающей средой в ходе реализации поставленной цели?
Системы, в которых происходят какие бы то ни было изменения во времени, будем называть динамическими (как и их модели). Уже на этапе «черного ящика» различают два типа динамики системы: её функционирование и развитие. Под функционированием понимают процессы, которые происходят в системе (и окружающей её среде), стабильно реализующей фиксированную цель, например, функционируют часы, кинотеатр, школа, радиоприемник и т.д. Развитием называют то, что происходит с системой при изменении её целей. В этом случае существующая структура перестает соответствовать новой цели и приходится её изменять, а иногда и перестраивать систему.
При построении динамических моделей следует различать этапы происходящего процесса, рассматривать их во взаимосвязи. Например, динамический вариант «черного ящика» потребует задания начального (вход) и конечного (выход) состояний системы.
Дата добавления: 2017-05-02 ; просмотров: 4451 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник: poznayka.org