国际学术界对鲁棒性的研究_接婧
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2)稳定性和鲁棒性之间的区别 对于某些系统 , 扰动不是外部输入或内部系 统参数上的波动 , 而是系统组成 、系统拓扑结构或 系统运行环境根本假设的变化 , 此时鲁棒性能够 测度这类系统特征的持续性 .鲁棒性典型地应用 于“复杂适应系统” 当中 , 正如霍兰所说 :“我们通 常不担心石头的鲁棒性 .” 在稳定性理论中 , 假设单一的扰动是很典型 的 , 而从鲁棒性的观点来看 , 经常需要从多重角度 来考虑多重扰动 .例如 , 一个生物学信号传输路径
1)什么是稳定性 ? “ 稳 定性” 的定 义比“ 鲁 棒性” 的定 义产 生得 更 早 , 它起源于天体力学(特别是关于太阳系的稳定 性的研究).不严格地说 , 如果对于动力系统的一 个解(意味着一个平衡状态)的微小扰动(扰动可 以被看作是 在系统的实际状 态下发生的微 小差
异)导致了一个新解 , 并且这个新解永远与最初的 解保持接近 , 则认为这个解是稳定的 ;如果对一个 动力系统本身的微小扰动以性质上相同的动力学
第 2 期 接 婧 :国际学术界对鲁棒性的研究
— 155 —
所以 , 一般地说 , 鲁棒性与脆弱性是并存的 , 在某一方面具有鲁棒性的事物在另一方面则可能 同时具有脆弱性 , 或者在某一层次上具有鲁棒性 而在另一层次上则具有脆弱性 .这方面最典型的 就是互联网 . 2.2 鲁棒性与稳定性的区别
虽然不具备鲁棒性的软件也可能是正确的 , 但鲁棒性补充了正确性 .正确性是对于在规约范
围内系统的活动 ;而鲁棒性描述发生在规约之外 的活动 .在研究异常处理的时候 , 正常的和不正常 的情况对于一个特定的规约来说是相对的 , 不正 常的情况只不过是不在规约范围内的情况 .如果 把规约的范围加 宽 , 那么 不正常的情况(即 使像 “错误的用户输入”这类事情)就变成正常的了 , 这 样就又回到了正确性这个范围内了 .但一直都会 有规约没有明确阐明的情况 .鲁棒性则要求保证 当这种情况真的发生时系统不要引起灾难性的后
Abstract :Robustness , which is a noteworthiness attribute of complex system , has become a popular topic for discussion .To study and apply robustness better , we should know about the study of robustness in the world , including the definitions of robustness , the significance of robustness , robust perspectives , robust applications , etc .The paper introduces all of them in outline .And the paper consults some results of researchers in many fields , including both quantitative ones and qualitative ones .
许多文章通过具体的实例阐述鲁棒性与脆弱 性的关系 .
生物有机体在遇到环境和组成部分的不确定 性时是高度鲁棒性的 , 然而遇到了基因上微小的 扰动或者显微镜下可见的病原体的出现时 , 生物 有机体可能就劫数难逃了 .
当遇到了大规模的大气扰动 、货物负载和燃 料的改变 、材料老化时 , 777 飞机 是鲁棒的 ;但是 当遇到了超大规模集成电路芯片的显微镜下可见 的少量改变时或者遇到软件故障时 , 可能就会劫 数难逃 .而这种情况在一个简单的交通工具上就 完全不会出现 .可以看出这种复杂性可以将小扰 动的影响放大 , 所以设计工程师必须保证这种扰 动要非常少 .
新的病毒
U .S .行政 系统
合理性
人口统计学的 改变
经济衰退
2.3 鲁棒性的主要特点
2)鲁棒性是一个系统或组件在出现不正确的或 矛盾的输入时能够正确运行的程度 .(计算机系统)
3)语言的鲁棒性(识别和分解等)是指人类即 使在信息不完全 、意思模糊或不断的变化情况下 , 仍然能够实现沟通的能力 .(人类语言技术)
4)鲁棒性是一个系统在遇到了设计中所没有 考虑过的情况时不受到影响的程度 .(实用非线性 控制)
这些情况中 ,鲁棒性将是决定性的因素 , 而不是其最 优化 、可扩展性或稳定性等其他属性[ 1] .
关于鲁棒性 , 有以下问题需要研究 : ＊ 什么是鲁棒性 ? ＊ 鲁棒性都应用于哪些领域 ? ＊ 鲁棒性的例子有哪些 ? ＊ 鲁棒性的起源是什么 ? ＊ 达到鲁棒性的机制和动力是什么 ? ＊ 鲁棒性的影响是什么 ?
Key words :robustness ;frangibility ;stable
0 引 言
近年来 , 学术界对于鲁棒性的研究明显增加.来 自不同学科的许多学者 , 不约而同地使用鲁棒性这 个术语 .这表明作为复杂系统的一种值得注意的属 性 , 鲁棒性已经成为人们关注的一个热点议题 .
在不 确定 性 和危 机出 现 的情 况 下 , 鲁 棒性 (robustness)已经成为系统能否生存的关键 .例如 , 在 生态系统遇到了或大或小的扰动时 ;在细胞遇到了 环境变化或者发生遗传变异时;计算机软件在遇到 了输入错误 、磁盘故障 、网络超载或蓄意攻击时 ;一 款科技产品在富于变化的市场中其生存能力受到挑 战时;在行政机构面临社会急剧变迁时 ———在所有
5)鲁棒性是那些具 有恢复 、自我修 复 、自 控 制 、自组装 、自我复制能力的系统所具有的特性 . (生物系统)
6)如果一个模型在某种假设下是正确的 , 而这 个假设不同于设计该模型时所用的假设 , 那么这个 模型就具有鲁棒性 .(模型的不可靠性和鲁棒性)
7)鲁棒性是软件在非正常环境下(也就是在规 范外的环境下 , 包括新的平台 , 网络超载 , 内存故障 等)做出适当反应的能力 .(面向对象的软件构造)
在一个完全的扰动集合之下可以是鲁棒的 , 这个 扰动集合不仅包括分子浓度的波动 , 还包括一组 不同基因的破坏 , 这些基因乍看似乎在不同情况 下对于路径的机能都是很必要的 .
此外 , 社会制度的鲁棒性经常变得与“僵化” 同义 .比如公司 、官僚机构或政府可能有时涌现出 它们的初级功能 , 但并不是尝试着按照最初的定 义改进机构的功能 , 而是进行适应和进化 , 也就是 说不是完全回归到原来的状态 .然而不能排除这 种可能 , 即系统可能发展出在设计阶段没有预料 到的新功能(即涌现出新的属性).“ 功能”是鲁棒 性和稳定性之间的差别 .
试图建立一个关于鲁棒性的统一概念是不现实
的 .目前人们想要得到的是一个能够区分细微差别 的共同术语, 研究者能够有所区分地说出“A 的鲁棒 性”(以区别于 B 的鲁棒性或 C 的鲁棒性), 而其他的 研究者也同意这样使用这个术语 .所以与其试着去 统一这些定义 , 还不如把它们收集一起 .同时 , 对定 义的讨论将使人们对经常与“鲁棒性”交替使用的那 些术语(包括“稳定性” 、“恢复性” 、“可靠性” 、“持久 性” 、“存活性” 、“容错性” 、“可塑性”等)之间的相似处 和差异得到更好的理解 .
关键词 :鲁棒性 ;脆弱性 ;稳定性 中图分类号 :N94-0 文献标识码 :A 文章编号 :1000 -5781(2005)02-0153 -07
Study of robustness in the world
JIE Jing (Information School , Renmin University of China , Beijing 100872 , China)
1 定义
“鲁棒性”术语在多年前已被提出 , 但对其精
① 收稿日期 :2004 -10 -31 ;修订日期 :2004 -12-20.
— 154 —
系 统 工 程 学 报 第 20 卷
确定义至今还没有一致的说法 .目前存在的定义 很多 , 可以按生物 、生态 、物理 、工程 、社会学 、自然 界等分类 .在不同的语境下 , 鲁棒性具有许多不同 的含义 .
果 .为了实现这一点 , 可以给出适当的错误消息 , 结束它的执行 , 或者输入一个称为“ 适度降级” 的 模式[ 3] .
从以上的简单列举 , 可以看到鲁棒性这个概 念的丰富内涵 .
2 意义和价值
为什么要提出“鲁棒性”这个概念呢 ? 有必要 提出这个新概念吗 ? 它存在的价值是什么 ? 下面 把鲁棒性作为一个新的概念 , 从鲁棒性与脆弱性 的关系 、鲁棒性与稳定性的区别 、鲁棒性超越稳定 性 3 个方面介绍学术界的看法 . 2.1 鲁棒性和脆弱性
产生了一个新动力系统 , 那么可以说原来的动力 系统在结构上是稳定的 , 此时要求系统的动力学 特征被保护 , 并且要求没有涌现出性质上的新特 征 .以河流表面部分水流为例 , 假设水流具有一个 外部参数(例如风速)同时忽略其他因素 , 当风速 的微小变化没有在性质上改变水流的动力学时 , 即这个水流没有产生一个新的结构(例如漩涡), 那么它就是结构稳定的 .
表 1 给出了几个实例 , 对于其中的一些扰动 来说 , 稳定性理论是完全适合的 , 而另一些扰动则 需要不同于稳定性概念 , 即鲁棒性 .
表 1 几个实例
系统
感兴趣的 稳定性理论可 需要鲁棒性概念
特征
以解释的扰动 来解释的扰动
笔记本电脑 软件性能 错误输入的数据 磁盘划伤
免疫系统 抗体响应 自体免疫紊乱
第 20 卷第 2005 年 4
2期 月
系 统
JOURNAL OF
工 程 学 报 SYSTEMS ENGINEERING
VAolp.r2.02N0o05.2
国际学术界对鲁棒性的研究①
接 婧
(中国人民大学信息学院 , 北京 100872)
摘要 :鲁棒 性作为复杂系统的一种值得注意的属性 , 已 经成为人们 关注的 一个热 点议Biblioteka Baidu .为了 更好地 学习并 应用鲁棒性 , 首先要了解目前国际上对鲁棒性的研究 , 包括鲁棒性 的定义 、鲁棒性的 意义和价 值 、鲁棒 性研究 目前的方向 、鲁棒性的应用等等 .文中对这些方面进行了 概述性的介绍 .参考了许多国际上各领域研究者的研 究成果 , 包括定性的和定量的 .
根据圣菲研究所的收集[ 2] , 目前 , 研究人员提 出的不同定义达 17 个之多 .他们的目标很明确 , 不是为了达到用法的一致 , 也不是约束不同领域 的研究者对这个术语的使用 , 而是为了探究鲁棒 性含义的范围 , 并希望能够改进 .下面列举其中的 几个(括号内注明该定义所属的类别):
1)鲁棒性是一个系统即使面临着内部结构或 外部环境的改变时 , 也能够维持其功能的能力 . (网络 、生态)
处理器芯片在其 CMOS 电路元件的模拟性能 发生大的改变时 , 同样是鲁棒的 , 但是当一个元件 被移走或者电路重新排列时 , 就会完全坏掉 .处理 器 、内存还有其他芯片能够被用在高容错性的电 脑和网络当中 , 为复杂软件系统建立平台 .这些软 件系统能够表现出广泛的功能 , 但可能遇到一行 错误代码时就会崩溃[ 4] .
鲁棒性和稳定性有什么不同呢 ? 一些学者认 为这两个概念都是用来定义一个给定系统在遇到 了特定的扰动时所显现出来的特征 .大体上说 , 前 者是刻画系统中过程相对初始条件变化的保持能
力 , 而后者是过程相对环境或系统本身变化的保 持能力 .当今在系统和控制领域有很多关于鲁棒 稳定性或稳定鲁棒性的讨论 , 这说明这两个概念 的研究是应该并且是有条件放在一起进行的 , 这 两个重要基本概念实际上已经紧密相连 .但要注 意 , 在还没有指定对一个系统感兴趣的特征和扰 动时 , 谈论这个系统是稳定的还是鲁棒的是没有 意义的[ 4] .
1)什么是稳定性 ? “ 稳 定性” 的定 义比“ 鲁 棒性” 的定 义产 生得 更 早 , 它起源于天体力学(特别是关于太阳系的稳定 性的研究).不严格地说 , 如果对于动力系统的一 个解(意味着一个平衡状态)的微小扰动(扰动可 以被看作是 在系统的实际状 态下发生的微 小差
异)导致了一个新解 , 并且这个新解永远与最初的 解保持接近 , 则认为这个解是稳定的 ;如果对一个 动力系统本身的微小扰动以性质上相同的动力学
第 2 期 接 婧 :国际学术界对鲁棒性的研究
— 155 —
所以 , 一般地说 , 鲁棒性与脆弱性是并存的 , 在某一方面具有鲁棒性的事物在另一方面则可能 同时具有脆弱性 , 或者在某一层次上具有鲁棒性 而在另一层次上则具有脆弱性 .这方面最典型的 就是互联网 . 2.2 鲁棒性与稳定性的区别
虽然不具备鲁棒性的软件也可能是正确的 , 但鲁棒性补充了正确性 .正确性是对于在规约范
围内系统的活动 ;而鲁棒性描述发生在规约之外 的活动 .在研究异常处理的时候 , 正常的和不正常 的情况对于一个特定的规约来说是相对的 , 不正 常的情况只不过是不在规约范围内的情况 .如果 把规约的范围加 宽 , 那么 不正常的情况(即 使像 “错误的用户输入”这类事情)就变成正常的了 , 这 样就又回到了正确性这个范围内了 .但一直都会 有规约没有明确阐明的情况 .鲁棒性则要求保证 当这种情况真的发生时系统不要引起灾难性的后
Abstract :Robustness , which is a noteworthiness attribute of complex system , has become a popular topic for discussion .To study and apply robustness better , we should know about the study of robustness in the world , including the definitions of robustness , the significance of robustness , robust perspectives , robust applications , etc .The paper introduces all of them in outline .And the paper consults some results of researchers in many fields , including both quantitative ones and qualitative ones .
许多文章通过具体的实例阐述鲁棒性与脆弱 性的关系 .
生物有机体在遇到环境和组成部分的不确定 性时是高度鲁棒性的 , 然而遇到了基因上微小的 扰动或者显微镜下可见的病原体的出现时 , 生物 有机体可能就劫数难逃了 .
当遇到了大规模的大气扰动 、货物负载和燃 料的改变 、材料老化时 , 777 飞机 是鲁棒的 ;但是 当遇到了超大规模集成电路芯片的显微镜下可见 的少量改变时或者遇到软件故障时 , 可能就会劫 数难逃 .而这种情况在一个简单的交通工具上就 完全不会出现 .可以看出这种复杂性可以将小扰 动的影响放大 , 所以设计工程师必须保证这种扰 动要非常少 .
新的病毒
U .S .行政 系统
合理性
人口统计学的 改变
经济衰退
2.3 鲁棒性的主要特点
2)鲁棒性是一个系统或组件在出现不正确的或 矛盾的输入时能够正确运行的程度 .(计算机系统)
3)语言的鲁棒性(识别和分解等)是指人类即 使在信息不完全 、意思模糊或不断的变化情况下 , 仍然能够实现沟通的能力 .(人类语言技术)
4)鲁棒性是一个系统在遇到了设计中所没有 考虑过的情况时不受到影响的程度 .(实用非线性 控制)
这些情况中 ,鲁棒性将是决定性的因素 , 而不是其最 优化 、可扩展性或稳定性等其他属性[ 1] .
关于鲁棒性 , 有以下问题需要研究 : ＊ 什么是鲁棒性 ? ＊ 鲁棒性都应用于哪些领域 ? ＊ 鲁棒性的例子有哪些 ? ＊ 鲁棒性的起源是什么 ? ＊ 达到鲁棒性的机制和动力是什么 ? ＊ 鲁棒性的影响是什么 ?
Key words :robustness ;frangibility ;stable
0 引 言
近年来 , 学术界对于鲁棒性的研究明显增加.来 自不同学科的许多学者 , 不约而同地使用鲁棒性这 个术语 .这表明作为复杂系统的一种值得注意的属 性 , 鲁棒性已经成为人们关注的一个热点议题 .
在不 确定 性 和危 机出 现 的情 况 下 , 鲁 棒性 (robustness)已经成为系统能否生存的关键 .例如 , 在 生态系统遇到了或大或小的扰动时 ;在细胞遇到了 环境变化或者发生遗传变异时;计算机软件在遇到 了输入错误 、磁盘故障 、网络超载或蓄意攻击时 ;一 款科技产品在富于变化的市场中其生存能力受到挑 战时;在行政机构面临社会急剧变迁时 ———在所有
5)鲁棒性是那些具 有恢复 、自我修 复 、自 控 制 、自组装 、自我复制能力的系统所具有的特性 . (生物系统)
6)如果一个模型在某种假设下是正确的 , 而这 个假设不同于设计该模型时所用的假设 , 那么这个 模型就具有鲁棒性 .(模型的不可靠性和鲁棒性)
7)鲁棒性是软件在非正常环境下(也就是在规 范外的环境下 , 包括新的平台 , 网络超载 , 内存故障 等)做出适当反应的能力 .(面向对象的软件构造)
在一个完全的扰动集合之下可以是鲁棒的 , 这个 扰动集合不仅包括分子浓度的波动 , 还包括一组 不同基因的破坏 , 这些基因乍看似乎在不同情况 下对于路径的机能都是很必要的 .
此外 , 社会制度的鲁棒性经常变得与“僵化” 同义 .比如公司 、官僚机构或政府可能有时涌现出 它们的初级功能 , 但并不是尝试着按照最初的定 义改进机构的功能 , 而是进行适应和进化 , 也就是 说不是完全回归到原来的状态 .然而不能排除这 种可能 , 即系统可能发展出在设计阶段没有预料 到的新功能(即涌现出新的属性).“ 功能”是鲁棒 性和稳定性之间的差别 .
试图建立一个关于鲁棒性的统一概念是不现实
的 .目前人们想要得到的是一个能够区分细微差别 的共同术语, 研究者能够有所区分地说出“A 的鲁棒 性”(以区别于 B 的鲁棒性或 C 的鲁棒性), 而其他的 研究者也同意这样使用这个术语 .所以与其试着去 统一这些定义 , 还不如把它们收集一起 .同时 , 对定 义的讨论将使人们对经常与“鲁棒性”交替使用的那 些术语(包括“稳定性” 、“恢复性” 、“可靠性” 、“持久 性” 、“存活性” 、“容错性” 、“可塑性”等)之间的相似处 和差异得到更好的理解 .
关键词 :鲁棒性 ;脆弱性 ;稳定性 中图分类号 :N94-0 文献标识码 :A 文章编号 :1000 -5781(2005)02-0153 -07
Study of robustness in the world
JIE Jing (Information School , Renmin University of China , Beijing 100872 , China)
1 定义
“鲁棒性”术语在多年前已被提出 , 但对其精
① 收稿日期 :2004 -10 -31 ;修订日期 :2004 -12-20.
— 154 —
系 统 工 程 学 报 第 20 卷
确定义至今还没有一致的说法 .目前存在的定义 很多 , 可以按生物 、生态 、物理 、工程 、社会学 、自然 界等分类 .在不同的语境下 , 鲁棒性具有许多不同 的含义 .
果 .为了实现这一点 , 可以给出适当的错误消息 , 结束它的执行 , 或者输入一个称为“ 适度降级” 的 模式[ 3] .
从以上的简单列举 , 可以看到鲁棒性这个概 念的丰富内涵 .
2 意义和价值
为什么要提出“鲁棒性”这个概念呢 ? 有必要 提出这个新概念吗 ? 它存在的价值是什么 ? 下面 把鲁棒性作为一个新的概念 , 从鲁棒性与脆弱性 的关系 、鲁棒性与稳定性的区别 、鲁棒性超越稳定 性 3 个方面介绍学术界的看法 . 2.1 鲁棒性和脆弱性
产生了一个新动力系统 , 那么可以说原来的动力 系统在结构上是稳定的 , 此时要求系统的动力学 特征被保护 , 并且要求没有涌现出性质上的新特 征 .以河流表面部分水流为例 , 假设水流具有一个 外部参数(例如风速)同时忽略其他因素 , 当风速 的微小变化没有在性质上改变水流的动力学时 , 即这个水流没有产生一个新的结构(例如漩涡), 那么它就是结构稳定的 .
表 1 给出了几个实例 , 对于其中的一些扰动 来说 , 稳定性理论是完全适合的 , 而另一些扰动则 需要不同于稳定性概念 , 即鲁棒性 .
表 1 几个实例
系统
感兴趣的 稳定性理论可 需要鲁棒性概念
特征
以解释的扰动 来解释的扰动
笔记本电脑 软件性能 错误输入的数据 磁盘划伤
免疫系统 抗体响应 自体免疫紊乱
第 20 卷第 2005 年 4
2期 月
系 统
JOURNAL OF
工 程 学 报 SYSTEMS ENGINEERING
VAolp.r2.02N0o05.2
国际学术界对鲁棒性的研究①
接 婧
(中国人民大学信息学院 , 北京 100872)
摘要 :鲁棒 性作为复杂系统的一种值得注意的属性 , 已 经成为人们 关注的 一个热 点议Biblioteka Baidu .为了 更好地 学习并 应用鲁棒性 , 首先要了解目前国际上对鲁棒性的研究 , 包括鲁棒性 的定义 、鲁棒性的 意义和价 值 、鲁棒 性研究 目前的方向 、鲁棒性的应用等等 .文中对这些方面进行了 概述性的介绍 .参考了许多国际上各领域研究者的研 究成果 , 包括定性的和定量的 .
根据圣菲研究所的收集[ 2] , 目前 , 研究人员提 出的不同定义达 17 个之多 .他们的目标很明确 , 不是为了达到用法的一致 , 也不是约束不同领域 的研究者对这个术语的使用 , 而是为了探究鲁棒 性含义的范围 , 并希望能够改进 .下面列举其中的 几个(括号内注明该定义所属的类别):
1)鲁棒性是一个系统即使面临着内部结构或 外部环境的改变时 , 也能够维持其功能的能力 . (网络 、生态)
处理器芯片在其 CMOS 电路元件的模拟性能 发生大的改变时 , 同样是鲁棒的 , 但是当一个元件 被移走或者电路重新排列时 , 就会完全坏掉 .处理 器 、内存还有其他芯片能够被用在高容错性的电 脑和网络当中 , 为复杂软件系统建立平台 .这些软 件系统能够表现出广泛的功能 , 但可能遇到一行 错误代码时就会崩溃[ 4] .
鲁棒性和稳定性有什么不同呢 ? 一些学者认 为这两个概念都是用来定义一个给定系统在遇到 了特定的扰动时所显现出来的特征 .大体上说 , 前 者是刻画系统中过程相对初始条件变化的保持能
力 , 而后者是过程相对环境或系统本身变化的保 持能力 .当今在系统和控制领域有很多关于鲁棒 稳定性或稳定鲁棒性的讨论 , 这说明这两个概念 的研究是应该并且是有条件放在一起进行的 , 这 两个重要基本概念实际上已经紧密相连 .但要注 意 , 在还没有指定对一个系统感兴趣的特征和扰 动时 , 谈论这个系统是稳定的还是鲁棒的是没有 意义的[ 4] .