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抗脆弱系统
2018-08-29 13:45
原创  IeeeSpectrum

抗脆弱系统a.jpg

在为自己的新书命名时,纳西姆•尼古拉斯•泰力布(Nassim Nicholas Taleb)创造了一个新词:“抗脆弱(antifragile)”。实际上,这是一个从未存在过的词语——对此,我毫不惊奇,因为就像大多数人一样,在我心目中“脆弱”的反义词就是“强韧”。然而,泰力布却认为强韧的事物只是具备忍受各种恶劣或不确定条件的能力,而抗脆弱的事物却可以在这种恶劣或不确定的条件下蓬勃发展——即自身性能得到真正的改善。在辩论过程中,他引用了邮包标签上的一句话作为例子:“易碎品,请勿摇晃。”而与之相反的一句话就应该是“抗脆弱,请摇晃。”

 泰力布的新书主要探讨了生物、医学、经济以及政治系统的脆弱性和抗脆弱性。那么除此之外,我们是否拥有抗脆弱的电子系统呢?

答案是非常肯定的,我们这些工程师已经成功设计出了复杂程度不断提高但使用寿命却越来越长的强韧系统。其中,互联网便是一个非常显著的例子。凭借其健全的流量控制、迂回路由选择和误差控制,互联网现已完好无损地存活了大约三十年之久(在此过程中,不时有人预测互联网即将面临崩溃)。

所谓进化,就是生物系统通过适者生存的机制得到不断改良和进步。那么,电子系统的性能是否也存在一个类似的改进过程呢?事实也许如此。但是,我认为这与设计一套能够在意外或随机条件下提高工作性能的系统是完全不同的两个概念。

实际生活中的确存在能够从随机振动中获取能量的电源,但是这个例子可能太微不足道了。就工程系统而言,我所发现的最接近抗脆弱性的例子便是多径现象。

在上世纪前半叶,多径现象还属于一种有害现象。在射频传输过程中,由于不同的路径会产生各种形式的加性效应或破坏作用,因此多径现象会导致信号衰落。而对于有线线路传输而言,信号频率成分的非一致延迟也会带来类似的效应,导致码间干扰和速度退化。

 最终,这些多径损耗已通过多样性和自适应信号处理得以减轻。然而,我认为这些自适应系统只是具备了一定的强韧性,不能被视为真正的抗脆弱系统。可是,随着多输入多输出(MIMO)系统的推出,我们似乎也远远超越了抗脆弱的范畴。在MIMO系统中,我们故意使用不同的天线发送多个信号,以期利用多径现象和信号处理提高系统性能。现在,MIMO已经广泛应用于IEEE 802.11n(Wi-Fi)和其他领域。

目前,令我非常着迷的是类似技术在计算摄影这一新兴领域内的应用。在任何情况下,到达我们的眼睛或相机镜头的光线都来自多个反射源、折射源、吸收源等来源。普通相机可以捕捉到所有到达光线的瞬间叠加,但却无法收集到有关光线方向性、相对时间延迟以及各种光线振幅的任何信息。

现在,能够记录下包括上述信息在内的更多数据的首款相机——Lytro已经投入商用。Lytro相机借助一个多面镜头并利用不断提高的传感器性能捕捉光线到达镜头时的方向性。这一原理令我回想起早期的计算机图形学利用光线跟踪制作出具有真实感的图形:首先从看到光线的观测方处追踪光线——包括它们的反射光和折射光,然后通过计算机处理生成相应的图像。就Lytro相机而言,我们也存在这样一个可逆性的问题:在具备光线的情况下,我们能否使用计算机还原出真实的场景?Lytro软件完全可以做到这一点,而且还可令用户自由选择焦点或移动图像捕捉角度。而麻省理工学院最近开展的实验又在此基础上更进一步。他们利用一款飞秒激光发射器发射出极其短暂的光脉冲,并重复多次以形成足够高的信号强度,在这种情况下,系统可以记录下光线到达的时间和相对振幅。

该实验得出的一项令人称奇的结论便是,借助这项技术,我们将有可能看穿各个角落。部分到达的光脉冲将来自超出探测器直接视野范围的平面。而反射的光线越多,图像便越清晰。可见,多路径的确是一个很好的选择;就让我们放手应用吧! 

现在,我请读者们都思考一下,还有哪些其他的系统可以在意外或恶劣条件下生机勃勃地运行呢?这可是一项启发思维的挑战。

作者:Robert W. Lucky

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