Must kast — määratlus, näited ja rakendused teaduses ja tehnikas

Loe musta kasti määratlus, praktilised näited ja rakendused teaduses ning tehnikas — transistoreist ja algoritmidest kuni ajukirurgiani.

Must kast on teaduses ja tehnikas kast, mille sisemine toimimine ei ole teada.

See on seade, süsteem või objekt, millel on sisend ja väljund. Selle sisemised toimingud ei ole teada. Selle toimimisviis on "läbipaistmatu" (must). Peaaegu kõike võib nimetada mustaks kastiks: transistor, algoritm või inimese aju.

Ashby selgitab, et termin tekkis, kui tuli teha otsus insenerikarbi avamise kohta. Küsimus oli selles, kas tagastada kast remondiks või lihtsalt lammutada see. Kas seda sai otsustada ilma kasti avamata? Võib olla palju põhjusi, miks keerulist süsteemi ei saa kohapeal parandada, ja isegi mõne süsteemi avamine on suur asi. Küsimus kerkib esile ka ajukahjustusega patsientide operatsioonides. Mida rohkem on võimalik enne operatsiooni teada saada, seda parem. ^p86

Musta kasti vastandiks on süsteem, mille sisemised komponendid või loogika on nähtavad. Seda nimetatakse mõnikord ka selgeks kastiks, klaasist kastiks või valgeks kastiks.

Mida mõistetakse „must kasti” all?

Lihtsustatult on must kast süsteem, mida me suudame uurida ainult selle sisendi ja väljundi kaudu, ilma otsese ligipääsuta sisemisele struktuurile või töötamise printsiipidele. Musta kasti põhiomadused on:

• Mittetundmine sisemusest: puudub või on piiratud info sisemiste komponentide ja nende omavahelise toimimise kohta;
• Selge sisend/väljund: süsteemile saab anda sisendeid ja mõõta väljundeid;
• Uurimispiirangud: mõnikord on avamise, mõõtmise või muutmisega seotud riskid või kulud, mistõttu kasutatakse ainult musta kasti lähenemist.

Näited

• Tööstusseadmed: keerukad moodulid, mille avamine ohustab garantii või ohutust;
• Tarkvara ja algoritmid: patenteeritud või suletud lähtekoodiga programmid, mida testitakse ainult sisendite ja väljundite kaudu (nt musta kasti testimine);
• Bioloogilised süsteemid: inimese aju või rakkude keerukus, mida uuritakse katseliselt ja mõõtmiste kaudu;
• Automaatsed mustrid: masinõppe mustad kastid (näiteks sügavad närvivõrgud), mille sisehüperparameetreid ja kaalu on raske intuitiivselt tõlgendada;
• Lennuregistrid ja satiitid: rahvakeeles «mustad kastid» (engl. flight data recorders) — kuigi need on füüsiliselt ligipääsetavad, jääb paljude süsteemide toimimise mõistmine keeruliseks ilma spetsiifilise analüüsita.

Rakendused teaduses ja tehnikas

Musta kasti mõiste on laialt kasutusel mitmel erialal:

• Süsteemiteooria ja juhtimine: süsteemi modelleerimine sisend-väljundi seoste põhjal (nt süsteemide identifitseerimine);
• Tarkvaratesting: musta kasti testimine keskendub süsteemi funktsionaalsusele ilma teadmata sisemistest rakendustest või allikatest;
• Masinõpe ja tehisintellekt: väga täpsed, kuid halvasti interpreteeritavad mudelid nõuavad eraldi interpretatsiooni- ja selgitamismeetodeid;
• Meditsiin ja biotehnoloogia: diagnoosimine ja raviplaanide koostamine patsientide puhul, kus operatsioon on riskantne või teadmised elundite täpsest tööst on piiratud;
• Inseneritöö ja remonditöö: otsuste tegemine, kas avada seade remondiks või asendada see uuega.

Kuidas musta kasti uuritakse?

Mõned levinumad meetodid ja lähenemised:

• Sisend-väljundi eksperimendid: süsteemile antakse eri sisendeid ja mõõdetakse väljundeid, et tuletada seoseid;
• Statistiline modelleerimine ja süsteemi identifikatsioon: matemaatilised mudelid (nt lineaar- või mitte-lineaarmudelid) hinnatakse ainult vaatlusandmete põhjal;
• Inverseerimine ja pöördvõetud teisendused: püüetaan leida sisemise struktuuri kohta viiteid väljundite põhjal;
• Non-invasiivsed mõõtmistehnikad: näiteks meditsiinis fMRI, EEG ja teised kuvamismeetodid, mis annavad aimu sisemisest toimimisest avamata kude;
• Reverse engineering: kui võimalik ja lubatud, püütakse süsteemi mehhaaniliselt või tarkvaraliselt lahti võtta ning taastada sisemine disain.

Eelised ja piirangud

Eelised:

• Võimaldab teha otsuseid ja arendada süsteeme ilma kuluka või riskantse sisemuse avamiseta;
• Sobib olukordadesse, kus avamine rikuks garantiid või ohustaks inimeste tervist;
• Kasutatav mustade kastide puhul, kus sisemine struktuur on liiga keerukas või teadmata.

Piirangud:

• Piiratud selgitusväärtus — teadmine, et sisend toodab mingi väljundi, ei selgita alati, miks või kuidas see toimub;
• Riski-võimalus väära järelduse tegemiseks, eriti keeruliste ja mitmetähenduslike väljundite korral;
• Mõned rakendused (näiteks meditsiinilised otsused või õiguslik vastutus) nõuavad suuremat läbipaistvust kui must kast suudab pakkuda.

Must, valge ja hall kast

Terminoloogia aitab kirjeldada, kui palju teavet süsteemi kohta on kättesaadav:

• Must kast: nähtav ainult sisend ja väljund;
• Valge (selge) kast: sisemine töö ja komponendid on tuntud ja kättesaadavad (nt avatud lähtekoodiga programm);
• Hall kast: osaliselt teada — on mingid teadmised sisemisest struktuurist, kuid mitte täielik ülevaade.

Kokkuvõte

Must kast on kasulik ja mõnikord vältimatu kontseptsioon keerukate süsteemide käsitlemisel: see võimaldab hinnata ja kasutada süsteeme ilma otsese ligipääsuta nende sisemisele ülesehitusele. Samas kaasneb sellega selgitamise ja usaldusväärsuse piiratus, mistõttu on paljudes valdkondades arendatud eraldi meetodeid mustade kastide analüüsiks, interpretatsiooniks ja mõnikord ka sisemise struktuuri dešifreerimiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on must-toonekurg?

K: Milliseid asju võib nimetada mustaks kastiks?

K: Kes mõtles välja mõiste "must kast"?

K: Millal võiks tekkida küsimus musta kasti kohta?

K: Miks võib keerulist süsteemi mitte parandada kohapeal?

K: Mis on musta kasti vastand?

K: Millises kontekstis võib musta kasti mõiste olla kirurgias asjakohane?

Otsing