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沙堆模型复杂性现象及自组织临界性系统研究

作　者: 何越磊
导　师: 姚令侃
学　校: 西南交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 沙堆模型复杂性自组织临界性方法论应用
分类号: O347.7
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 626次
引　用: 3次
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内容摘要

本文围绕着沙堆模型复杂性现象,展开了以自组织临界性理论为主的复杂性理论及应用的研究。在已有成果的基础上,具体工作如下: 1、我们先前的实验表明,散粒体呈现自组织临界性与系统的组构特征和组织原则有关,作为组织原则之一的颗粒非均匀性是影响因素。为进一步深入研究,探讨其它组构特征和组织原则以及其它外界因素对散粒体自组织临界性的影响,我们开展了如下实验: (1)人工碎石材料的均匀沙和非均匀沙单面坡沙堆实验。碎石材料的沙堆表现的规律属性与河沙材料的一致。散粒体颗粒的磨圆度虽然是散粒体的组构特征之一,但不是影响散粒体自组织临界性的因素。 (2)坡面插桩和增设坡脚平台的沙堆实验。这些人为对沙堆系统施加影响的办法会影响沙堆落沙的量值,但不能改变沙堆原有的规律属性。 (3)多尺度的米堆单面坡模型实验。表明颗粒形状对散粒体自组织临界性的影响不显著。 2、在实验基础上,开展沙堆模型复杂性理论专题研究: (1)在论述、分析自组织临界性理论特征和内涵的基础上,结合散粒体实验,探讨了沙堆模型的时空长程相关性,采用R/S分析法确定非均匀沙堆具有正的长程相关性,而均匀沙堆不具备。 (2)引入多重分形理论和方法,分析非均匀沙堆自组织临界状态的空间和时间上的多层次分形结构;建立简化的多重分形动力模型,分析了散粒体自组织临界状态的多重分形动力行为。进而,确定了散粒体自组织临界性的多重分形特征。表明非均匀沙堆比均匀沙堆具有更高的复杂性。 3、采用复杂性研究方法分析几类自然灾害的规律属性,探讨自组织临界性的普适性。 (1)斜坡灾害是沙堆模型直观表象的自然现象。在对滑坡、崩塌和泥石流的空间分布和时间序列分析时,证明这三种斜坡灾害幂率分布的共性和自组织临界性特征。 (2)临界状态下,许多差异很大的物理系统具有极大的相似性。基于此,分析洪水和沙尘暴的实测资料: a、介绍趋势消除波动分析法,分析实测最大洪峰流量时间序列,证明序列具有长程相关性。

全文目录

第一章绪论  14-30
  1.1 科学的体系  14-15
  1.2 复杂性科学  15-22
    1.2.1 分形  17-19
    1.2.2 混沌  19-20
    1.2.3 自组织临界性  20-22
  1.3 散粒体复杂性研究  22-27
  1.4 本文研究的思路方法和主要内容  27-30
第二章沙堆模型实验及分析  30-50
  2.1 散粒体SOC物理实验研究的现状  30-33
  2.2 单面坡沙堆实验  33-48
    2.2.1 碎石沙堆实验设计  34-35
    2.2.2 实验现象描述及数据分析  35-38
    2.2.3 坡面处理和落沙收集方式的影响  38-41
    2.2.4 多尺度米堆实验  41-48
  2.3 小结  48-50
第三章沙堆模型复杂性理论专题研究  50-64
  3.1 沙堆模型自组织临界性  50-55
    3.1.1 自组织临界性理论  50-52
    3.1.2 沙堆模型的时空长程相关性  52-55
  3.2 多重分形理论  55-57
  3.3 非均匀沙堆模型的多重分形谱  57-63
    3.3.1 落沙规模序列的多重分形谱  57-59
    3.3.2 落沙间隔时间序列的多重分形谱  59-61
    3.3.3 沙堆系统的多重分形动力分析  61-62
    3.3.4 多重分形分析的意义  62-63
  3.4 小结  63-64
第四章自然灾害中的SOC特征  64-80
  4.1 自然灾害与散粒体SOC  64-65
  4.2 斜坡灾害中的幂率分析  65-67
  4.3 水系的复杂性分析  67-71
    4.3.1 趋势消除波动分析法  68-69
    4.3.2 最大洪峰流量的DFA分析  69-71
  4.4 我国强沙尘暴中的标度不变性  71-78
    4.4.1 多重分形消除趋势波动分析法  71-73
    4.4.2 强沙尘暴时序的MF-DFA分析  73-76
    4.4.3 强沙尘暴时序的分形行为探究  76-78
  4.5 几种分析方法的比较  78-79
  4.6 小结  79-80
第五章 SOC概念框架下灾害防治的探讨  80-88
  5.1 沙堆的动态演化与灾害的可预测性  80-82
    5.1.1 SOC系统演化的预测方法探讨  80-82
    5.1.2 准周期系统演化的预测方法  82
  5.2 灾害防治工程设计中的极值分析  82-86
    5.2.1 极值统计方法  83-84
    5.2.2 幂律特征下的极值分布  84-85
    5.2.3 实例计算  85-86
  5.3 小结  86-88
第六章交通环境选线的复杂性方法探索  88-100
  6.1 元胞自动机  88-91
    6.1.1 定义  88-89
    6.1.2 构成  89-90
    6.1.3 特征及分类  90-91
    6.1.4 元胞自动机与复杂性  91
  6.2 环境选线理念  91-93
    6.2.1 道路选线的发展  91-92
    6.2.2 选线中考虑的环境影响因子  92
    6.2.3 考虑环境因素的选线  92-93
  6.3 基于环境因素的元胞自动机选线的设想  93-98
    6.3.1 广义导向线定线法  93-94
    6.3.2 定线自动机模型构成  94-96
    6.3.3 应用定线元胞自动机模型定线步骤  96-98
  6.4 小结  98-100
第七章散粒体复杂性的机制探讨  100-118
  7.1 散粒体结构及作用机制复杂性分析  100-111
    7.1.1 散粒体的细观结构分析  100-106
    7.1.2 散粒体的应力分析  106-107
    7.1.3 散粒体临界坡面复杂性分析  107-111
  7.2 散粒体临界坡紊动层和层动层假说  111-116
    7.2.1 流体中的湍流与层流  111-112
    7.2.2 散粒体临界流态属性的紊动层和层动层假说  112-113
    7.2.3 散粒体临界流态属性的机制分析  113-114
    7.2.4 散粒体临界流态假说对实验现象的解释  114-116
  7.3 小结  116-118
结论  118-122
致谢  122-123
参考文献  123-138
攻读学位期间发表的论文及科研工作  138

沙堆模型复杂性现象及自组织临界性系统研究

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