Black Box (Systemtheorie)

Grundidee

Eine Black Box ist in Kybernetik und Systemtheorie ein System, bei dem im jeweiligen Zusammenhang nur das äußere Verhalten betrachtet wird. Entscheidend sind also die Beziehungen zwischen Input und Output, nach dem EVA-Prinzip: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe. Die innere Struktur kann unbekannt sein oder bewusst außer Acht gelassen werden. Selbst wenn sie bekannt ist, darf dieses Wissen in der Black-Box-Betrachtung nicht verwendet werden, zum Beispiel weil ein späteres Nachfolgemodell innen anders aufgebaut sein könnte.

Das Gegenteil wird meist White Box genannt. Die Begriffe Glass Box und Clear Box bedeuten ebenfalls ein durchsichtiges beziehungsweise einsehbares System, werden aber seltener verwendet.

Zweck der Betrachtungsweise

Allgemein bezeichnet Black Box ein Objekt, dessen innerer Aufbau und innere Funktionsweise unbekannt sind oder als unwichtig gelten. Wichtig ist, dass das Objekt über definierte Schnittstellen eine bestimmte Funktion erfüllt. Die Grundidee lautet oft: Das Innere interessiert im Moment nicht. Manchmal bedeutet der Begriff auch: Wir wissen ohnehin nicht, wie das Innere funktioniert.

Diese Sichtweise reduziert die Komplexität eines Untersuchungsgegenstandes. Das bewusste Weglassen genauer Tiefeninformation wird als Geheimnisprinzip bezeichnet. Dadurch kann sich der Systembearbeiter auf andere theoretische oder praktische Fragen konzentrieren.

Analyse von Input und Output

In der Systemtheorie wird die Black-Box-Methode gezielt eingesetzt, um Systemverhalten zu untersuchen. Dabei analysiert man nur die Beziehung zwischen Reiz beziehungsweise Input und Reaktion beziehungsweise Output. Kausalität, also ein sicherer Ursache-Wirkung-Zusammenhang, ist dabei nicht von Anfang an vorausgesetzt, sondern wird als vereinfachende Annahme verwendet.

Idealerweise lässt sich diese Beziehung mathematisch beschreiben. Aus einer solchen Beschreibung können Rückschlüsse auf das Substrat und auf die Art der Signalverschaltungen im Inneren des Systems möglich werden. René Thom fasste die Grundidee mit dem Satz zusammen: „Der einzig denkbare Weg, um das Innere einer Black Box aufzudecken, ist, damit zu spielen.“

Typische Anwendungen

Eine typische Form des Black-Box-Modells ist die Modularisierung: Ein Teil eines Systems wird als Modul betrachtet, dessen innere Einzelheiten nicht untersucht werden müssen, solange Ein- und Ausgabe bekannt sind. Ein Beispiel sind umfangreiche integrierte Schaltkreise, kurz ICs, die als Black Box dargestellt werden; betrachtet werden nur ihre Eingänge und Ausgänge.

Die Methode wird erfolgreich bei elektronischen Schaltkreisen, neuronalen Systemen und Einzelneuronen verwendet. Als Eingangsreize nutzt man häufig Signalformen, die sich analytisch leicht untersuchen lassen, zum Beispiel sinusoidale Signale. Als Zwischenschritt können Ersatzschaltbilder entstehen, in denen verschiedene elektronische Filter entsprechend dem beobachteten Systemverhalten miteinander verbunden werden. Außerdem findet die Black-Box-Methode in zahlreichen numerisch-mathematischen Verfahren Anwendung.

Software, Wartung und mathematische Modelle

In der Softwareentwicklung gehören Datenkapselung und Black-Box-Test zu den Methoden, die mit der Black-Box-Idee verbunden sind. Bei einem Black-Box-Test wird eine Software anhand ihrer Eingaben und Ausgaben geprüft, ohne die innere Programmstruktur in den Mittelpunkt zu stellen.

Auch bei organisatorischer Verantwortlichkeit wird von einer Black Box gesprochen. Damit kann gemeint sein, dass ein Wartungstechniker für bestimmte innere Funktionen eines Bauteils nicht zuständig ist. Wenn das Bauteil versagt, soll es dann nicht im Detail repariert, sondern im Ganzen ausgetauscht werden.

Bei der Modellierung eines mathematischen Modells spricht man ebenfalls von einer Black Box, wenn nicht das innere Verhalten eines Systems modelliert wird, sondern nur seine Reaktion in einer mathematischen Formel beschrieben wird.

Begriff

Der Ausdruck Black Box bedeutet wörtlich „schwarze Kiste“. Er wurde früh in der militärischen Fernmeldetechnik verwendet. Dort bezeichnete er erbeutetes Feindgerät, das nicht geöffnet werden durfte, weil sich darin möglicherweise eine Sprengladung befand. Im Artikel wird außerdem erwähnt, dass auch andere Erklärungen zur Wortherkunft vorgeschlagen wurden.