Тестирование по стратегии чёрного ящика

Под «чёрным ящиком» понимается объект исследования, внутреннее устройство которого неизвестно. Понятие «чёрный ящик» предложено У. Р. Эшби. В кибернетике оно позволяет изучать поведение систем, то есть их реакций на разнообразные внешние воздействия и в то же время абстрагироваться от их внутреннего устройства.

Манипулируя только лишь со входами и выходами, можно проводить определённые исследования. На практике всегда возникает вопрос, насколько гомоморфизм «чёрного» ящика отражает адекватность его изучаемой модели, то есть как полно в модели отражаются основные свойства оригинала.

Описание любой системы управления во времени характеризуется картиной последовательности её состояний в процессе движения к стоящей перед нею цели. Преобразование в системе управления может быть либо взаимно-однозначным и тогда оно называется изоморфным, либо только однозначным, в одну сторону. В таком случае преобразование называют гомоморфным.

«Чёрный» ящик представляет собой сложную гомоморфную модель кибернетической системы, в которой соблюдается разнообразие. Он только тогда является удовлетворительной моделью системы, когда содержит такое количество информации, которое отражает разнообразие системы. Можно предположить, что чем большее число возмущений действует на входы модели системы, тем большее разнообразие должен иметь регулятор.

В настоящее время известны два вида «чёрных» ящиков. К первому виду относят любой «чёрный» ящик, который может рассматриваться как автомат, называемый конечным или бесконечным. Поведение таких «чёрных» ящиков известно. Ко второму виду относятся такие «чёрные» ящики, поведение которых может быть наблюдаемо только в эксперименте. В таком случае в явной или неявной форме высказывается гипотеза о предсказуемости поведения «чёрного» ящика в вероятностном смысле. Без предварительной гипотезы невозможно любое обобщение, или, как говорят, невозможно сделать индуктивное заключение на основе экспериментов с «чёрным» ящиком. Для обозначения модели «чёрного» ящика Н. Винером предложено понятие «белого» ящика. «Белый» ящик состоит из известных компонентов, то есть известных X, Y, δ, λ. Его содержимое специально подбирается для реализации той же зависимости выхода от входа, что и у соответствующего «чёрного» ящика. В процессе проводимых исследований и при обобщениях, выдвижении гипотез и установления закономерностей возникает необходимость корректировки организации «белого» ящика и смены моделей. В связи с этим при моделировании исследователь должен обязательно многократно обращаться к схеме отношений «чёрный» — «белый» ящик.

Рассмотрим, как изучается и исследуется поведение «чёрного» ящика второго вида. Предположим, что дана некоторая система управления, внутреннее строение которой неизвестно. Система управления имеет входы ${\displaystyle X(x_{1},x_{2},x_{3},...,x_{n})}$ и выходы ${\displaystyle Y(y_{1},y_{2},y_{3},...,y_{m})}$.

Способ исследования поведения данного «чёрного» ящика заключается в проведении эксперимента, результаты которого можно представить в виде табл. 1.

Такой способ исследования «чёрного» ящика называется протокольным. Значения входных величин в моменты времени ${\displaystyle (t_{1},t_{2},...,t_{k})}$ могут выбираться произвольно.

Таблица 1

Способ исследования «чёрного» ящика

Состояние входов	Состояние выходов	Время
${\displaystyle x_{1}(t_{1}),x_{2}(t_{1}),...,x_{n}(t_{1})}$	${\displaystyle y_{1}(t_{1}),y_{2}(t_{1}),...,y_{m}(t_{1})}$	${\displaystyle t_{1}}$
${\displaystyle x_{1}(t_{2}),x_{2}(t_{2}),...,x_{n}(t_{2})}$	${\displaystyle y_{1}(t_{2}),y_{2}(t_{2}),...,y_{m}(t_{2})}$	${\displaystyle t_{2}}$
............	............	....
............	............	....
${\displaystyle x_{1}(t_{k}),x_{2}(t_{k}),...,x_{n}(t_{k})}$	${\displaystyle y_{1}(t_{k}),y_{2}(t_{k}),...,y_{m}(t_{k})}$	${\displaystyle t_{k}}$

Другой способ исследования заключается в подаче на входы некоторых стандартных последовательностей. Этот способ особенно привлекателен, потому что позволяет сравнивать поведение нескольких «чёрных» ящиков с условием выбора таких, которые будут соответствовать предъявляемым требованиям.

Исследование систем управления связано с понятиями «вероятностный автомат», «вероятностная система», что требует изучения их вероятностных свойств. Для этих целей можно построить матрицу вероятностей (табл. 2), в которой для каждого входа ${\displaystyle x_{i}}$ и каждого выхода ${\displaystyle y_{i}}$ указывается условная вероятность ${\displaystyle p_{i}}$, что ${\displaystyle y_{i}}$ возникает в ответ на ${\displaystyle x_{i}}$ [7], приведённой в табл. 2.

Разработка методов построения математических моделей «чёрного» ящика является одной из важных кибернетических проблем. При условии наличия математической модели «чёрного» ящика появляется возможность отнести его к какому-либо одному классу, все системы которого изоморфны по поведению.

Создание математического описания «чёрного» ящика является своего рода искусством. В некоторых случаях удаётся сформировать алгоритм, в соответствии с которым «чёрный» ящик реагирует на произвольный входной сигнал. Для большинства же случаев делаются попытки установить дифференциальные уравнения, которые связывают реакцию «чёрного» ящика с его входами или, как говорят, с его входными стимулами.

Для науки метод «чёрный» ящик имеет весьма большое значение. С его помощью в науке были сделаны очень многие выдающиеся открытия. Например, учёный Гарвей ещё в XVII веке предугадал строение сердца. Он моделировал работу сердца насосом, позаимствовав идеи из совершенно другой области современных ему знаний — гидравлики. Практическая ценность метода «чёрный» ящик заключается во-первых, в возможности исследования очень сложных динамических систем, и, во-вторых, в возможности замены одного «ящика» другим. Окружающая действительность и биология дают массу примеров выявления строения систем методом «чёрного» ящика.

В этом методе программа рассматривается как чёрный ящик. Целью тестирования ставится выяснение обстоятельств, в которых поведение программы не соответствует спецификации. Для обнаружения всех ошибок в программе необходимо выполнить исчерпывающее тестирование, то есть тестирование на всевозможных наборах данных. Для большинства программ такое невозможно, поэтому применяют разумное тестирование, при котором тестирование программы ограничивается небольшим подмножеством всевозможных наборов данных. При этом необходимо выбирать наиболее подходящие подмножества, подмножества с наивысшей вероятностью обнаружения ошибок.

• Росс Эшби У. Глава 6. Чёрный ящик // Введение в кибернетику = An Introduction to Cybernetics. — Издательство иностранной литературы, 1959. — С. 127-169. — 432 с.
• Бейзер Б. Тестирование чёрного ящика. Технологии функционального тестирования программного обеспечения и систем. — Питер, 2004. — 320 с. — ISBN 5-94723-698-2.