鲁棒性

鲁棒性是控制科学中的一个名词，是英文robust(强健的,精力充沛的,粗鲁的)的音译，也被称为强健性或者抗干扰性。

 

指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持其它某些性能的特性。这显然很难理解，那么下面给出一个通俗理解和一个简单的例子。

 

鲁棒性是指某一个自动系统在系统发生故障时仍然能较好的完成预定工作的能力，我们来参考两个个机器人系统，我们希望机器人从A点像B点行进，如果中途机器人倒下，一号机器人只能停下，但二号机器人可以自行的爬起继续像B点前进，我们就认为一号机器人不具有鲁棒性，而二号有较好的鲁棒性。

 

但事实上要考察自动系统的鲁棒性是不容易的，因为现实世界是一个非线性的，随机的系统，很难用一个简单的数学模型去表示，因此需要通过大量测试和鲁棒图等方法(这些方法本质上也是非线性的)分析系统的鲁棒性。

「鲁棒性」为 Robust 的音译，牛津词典中「Robust」的定义为：

• Strong and healthy; vigorous.the Caplan family are a robust lot
  
  1.1 (of an object) sturdy in construction.‘a robust metal cabinet’
  1.2 (of a system, organization, etc.) able to withstand or overcome adverse conditions.‘the country's political system has continued to be robust in spite of its economic problems'
  1.3 Uncompromising and forceful.‘he took quite a robust view of my case’
• (of wine or food) strong and rich in flavour or smell.‘a robust mixture of fish, onions, capers and tomatoes’[1]

其中，1.2 是我们在科学中使用「Robust」时所采用的含义，即一个系统或组织有抵御或克服不利条件的能力。

举例来说，在建造一座大厦时，我们要考虑影响建筑物安全性的因素有哪些，例如建筑物如果处于震区，要考虑如何建造才能承受地震而不倒塌，遭遇恶劣天气（如台风、龙卷风）时需要承受几级大风以及如何让建筑能够抵抗此等级的天气等等。

在计算机领域「鲁棒性」所表达的内涵是相似的，即该系统或算法能够适应应用环境，如数据中的噪声、不同的应用领域等等。

不同领域中的鲁棒性

「鲁棒性」一词在许多领域广泛存在，通过与不同领域的实际情境结合获得不同含义。

• 在机器学习，训练模型时，工程师可能会向算法内添加噪声（如对抗训练），以便测试算法的「鲁棒性」。可以将此处的鲁棒性理解为算法对数据变化的容忍度有多高。[2]

• 在生物学中，「鲁棒性」指一个生物系统在受到外部扰动或内部参数摄动等不确定性因素干扰时，系统扔保持其结构和功能稳定。生物鲁棒性最能体现在生物体对环境的适应上，[3]是生物系统中普遍存在的特征。
• 在建筑领域，结构的「鲁棒性」(Robustness) 是以避免结构垮塌为目标的整体结构安全性。[4] 例如台北101大楼中，为了适应高空强风及台风吹拂造成的摇晃，在87至92楼挂置一个重达661.02公吨、直径5.5公尺的调谐质块阻尼器。

• 在航运领域，网络鲁棒性是指随机删除网络中的航运节点或边，对网络连通性所造成的影响。网络鲁棒性及其脆弱性是刻画真实航运网络的重要特征。[5]
• 在物流领域，供应链系统中，来自供应、制造、销售等方面的内部运作的不确定性，来自地震、洪水、火灾、生产事故、国际经济环境等方面的外部突发应急事件的不确定性，都会直接影响到供应链系统的正常运行。鲁棒性即供应链系统面对这些不确定因素的能力，是能否确保供应链的收益和持续性运行的重要因素。[6]

 

鲁棒性的研究方向还有：生态系统的恢复、生态系统的结构、动态平衡和生存、细胞进程的随机性、遗传网络、遗传变异的阻尼、生物复杂性的发展、定向进化、进化的自动选择、免疫系统里分布式的反馈、神经系统、神经和发动机系统之间的交互作用、模型驱动系统、大脑中的信息处理、网络系统、计算系统、计算机安全、人类与环境的交互作用、「脆弱性」和社会—自然现象的综合研究、社会—文化传统、社会制度、经济、经济学博弈、多样性、决策、宪法、政治协议，政府和政体、所有权的转移、古文明的轨迹等等。[7]

鲁棒性与稳定性

「鲁棒性」并不等同于「稳定性」，「稳定性」概念出现的更早，起源于天体力学特别是太阳系的稳定性研究。鲁棒性则是随着20世纪30年代控制论学科的发展，基于经典稳定性理论逐渐演化出的概念。

稳定性通常意味着「特性随时间不变化的能力」，鲁棒性则常被用来描述可以面对复杂适应系统的能力，需要更全面的对系统进行考虑。例如建筑物的稳定性仅仅指建筑内部的结构是否稳定，甚至只考虑部分结构的稳定性；鲁棒性则要从外部条件和内部结构上整体考量，尽可能将整体的影响纳入到计算。

两者的共性是稳定性和鲁棒性均与特定干扰下的持久程度有关。因此，系统（或物体等）的持久性可被看作鲁棒性和稳定性共同关注的特性之一。[8]