高优化容限理论

节选自:中国科学院研究生院博士论文《可持续发展的理论探索及其在内蒙古草原的应用》

作者:徐光华

自然界和工程界存在大量运行于不确定环境下的复杂系统。这类系统通过自然选择或工程设计已经实现高度优化,从而对干扰表现出一定的鲁棒性。然而这类系统与自组织临界一样表现出幂律特征,它是系统的收益、资源消耗和对风险的容忍这三个因素权衡的结果。为此,加州大学圣巴巴拉分校的Jean Carlson以及加州理工学院的John  Doyle 提出了HOT(Highly  Optomized Tolerance)理论,以概括这类不同于自组织临界系统的行为(Carlson and  Doyle, 1999,2000,2002)。Tolerance 强调的是复杂系统的鲁棒性是有条件的和有限的,必须通过管理和保护。Highly  Optimized 则强调复杂系统并非随意的组合,而
是高度结构的,来自于有意的设计或者进化,从而与自组织临界相区别。
在HOT状态下的系统,对于设计内的干扰具有很强的鲁棒性,但是,对于设计时未考虑到的因素,则表现出脆弱性。也就是说,HOT系统是既鲁棒且脆弱的。HOT理论认为,复杂系统中的幂律分布规律以及其他特征诸如对干扰的鲁棒性和对结构缺陷的敏感性,是由于系统设计或演化中的优化行为所致(Newman, 2000)。
对于由许多子系统连结成的复杂系统,不管是自然演化还是人为设计的, 当该系统可以有效地容忍某些不确定因素时(具强健性),将对其它未被考虑到的不确定因素变得更敏感。HOT理论所关注的系统是那些经过最优化的,不论是通过自然选择或工程设计,以在不确定的环境下提供可靠的功能,认为这些系统中的幂律是由于产出、资源耗费和对风险的耐受力之间的取舍而造成的。HOT的特征有(Carlson and Doyle, 1999):

1)高效、高表现,以及对设计针对的不确定性的高可靠性。
2)对设计错误和未考虑到的干扰十分敏感。
3)具有其特定的构造。
4)幂率。

HOT的例子有:生物、流行病、航空和汽车设计、森林和环境研究、Internet交通、电力系统(Carlson and Doyle, 1999)。 Carlson和Doyle (2002)还对HOT和SOC进行了比较,认为自组织临界性并非是幂律的唯一来源。而且,在工程和生物学中,复杂系统几乎都是内在复杂的,而且演化朝着在多变环境中有确定性行为的方向发生, SOC和HOT是产生幂律的很多机制中的两个(表3-1)。
如果说SOC是产生复杂性的内在机理,则幂律来自其内部结构的临界性,事件的大小与其原因无关,大事件的发生是因为临界状态时连接度达到系统范围。与之相对的是,对于HOT,幂律统计特征是―鲁棒,但同时脆弱‖的体现,作者认为这是复杂性的关键之处。长尾反映了高密度和生产率的系统的一种取舍,其内部变量被调节到面对常发生的干扰事件时只有小的损失,但对于罕见事件则会有大的损失,即使这种干扰很小( Carlson and Doyle, 2002)。

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