robustness
Määritelmä
Robustius (engl. robustness) on systeemin kyky säilyttää toimintansa ja rakenteensa ennallaan ulkoisista häiriöistä, epävarmuuksista tai osittaisista vaurioista huolimatta. Robusti systeemi ei juuri poikkea tilastaan, vaikka sen osia vaurioituisi tai olosuhteet muuttuisivat odottamattomasti.
Robustius voidaan jakaa karkeasti kahteen toisiaan täydentävään tyyppiin:
- Rakenteellinen robustius — kyky sietää yksittäisten komponenttien vaurioita (esim. vikasietoinen tietoverkko tai ristikkäisillä tuilla tuettu silta).
- Toiminnallinen robustius — kyky säilyttää haluttu käyttäytyminen parametrien vaihdellessa (esim. säätöpiiri, joka toimii laajalla lämpötila- tai kuormitusalueella).
Robustius ei ole sama asia kuin resilienssi: robusti systeemi vastustaa muutosta, resilientti systeemi sopeutuu siihen. Käytännössä järjestelmät ovat usein samanaikaisesti sekä robusteja että resilienttejä eri ulottuvuuksilla — esimerkiksi lentokoneen ohjausjärjestelmä on rakenteellisesti robusti ja toiminnallisesti resilientti.
Alkuperä
Termi tulee latinan sanasta robustus ("tammimainen, vahva, tanakka"). Englanniksi se vakiintui tilastotieteessä 1900-luvun alkupuolella tarkoittamaan menetelmää, joka ei herkisty oletusrikkomuksille. Moderni robusti tilastotiede perustuu Peter Huberin ja Frank Hampelin työhön 1960–1970-luvuilla, ja sitä kehitti edelleen Huber klassisessa artikkelissaan Robust Estimation of a Location Parameter (1964).
Ohjaus- ja systeemiteoriassa robustius tarkoittaa säätöjärjestelmän kykyä toimia vakaasti mallinnusepävarmuuksista ja häiriöistä huolimatta. Modernin robust control -teorian perustana ovat H-infinity-säätö ja siihen liittyvä työ, jota 1980-luvulta lähtien kehittivät George Zames ja John Doyle.
Biologiassa ja ekologiassa robustius selittää, miksi monet eliöt säilyttävät fenotyyppinsä geneettisestä ja ympäristövaihtelusta huolimatta — ilmiötä kutsutaan developmental robustnessiksi tai kanalisaatioksi (C. H. Waddington, 1942). Hiroaki Kitano on 2000-luvulla korostanut, että biologinen robustius on järjestelmätason ominaisuus, joka syntyy modulaarisuudesta, redundanssista ja takaisinkytkennästä.
Yhteydet muihin käsitteisiin
- resilienssi — robustiuden läheisin sukulaiskäsite; robustius on "kapeampi" ja jäykempi määritelmä.
- homeostaasi — biologinen robustius ilmenee homeostaattisena säätelynä.
- negatiivinen palaute — vakauttava palaute tuottaa robustiutta.
- [[redundancy|redundanssi]] — toiminnallinen päällekkäisyys lisää robustiutta.
- modulaarisuus — modulaarisuus rajoittaa vaurioiden leviämistä.
- [[buffering|puskurointi]] — puskurointimekanismit suojaavat systeemiä ulkoisilta iskuilta.
- vaadittava monimuotoisuus — Ashbyn laki: ohjaimen monimuotoisuuden tulee vastata ympäristön monimuotoisuutta.
- kontrolliteoria — robusti säätö on keskeinen kontrolliteorian ala.
- tiivis kytkentä — tiivis kytkentä lisää haavoittuvuutta ja vähentää robustiutta.
Missä oppitunneissa käsitellään
Robustiutta käsitellään [[../lessons/systeemiajattelun-perusteet|Systeemiajattelun perusteissa]] osana dynaamista tasapainoa ja säätöpiirejä, sekä [[../lessons/kompleksisuus-ja-kaaos|Kompleksisuus ja kaaos]] -jaksossa vertailuna resilienssiin. Käsite liittyy läheisesti myös [[../lessons/palaute-ja-silmukat|Palaute ja silmukat]] -jaksoon, jossa käsitellään negatiivisen palautteen stabiloivaa vaikutusta.
Lähteet
- Huber, P. J. (1964). Robust Estimation of a Location Parameter. Annals of Mathematical Statistics, 35(1), 73–101.
- Waddington, C. H. (1942). Canalization of Development and the Inheritance of Acquired Characters. Nature, 150, 563–565.
- Doyle, J., Francis, B. & Tannenbaum, A. (1992). Feedback Control Theory. Macmillan.
- Kitano, H. (2004). Biological robustness. Nature Reviews Genetics, 5(11), 826–837.
- Carlson, J. M. & Doyle, J. (2002). Complexity and robustness. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(suppl 1), 2538–2545.
Aiheeseen liittyy
- resilience
- homeostasis
- [[redundancy]]
- modularity
- feedback-loop
- control-theory
- requisite-variety
- [[buffering]]
- tight-coupling