沙堆模型復(fù)雜性現(xiàn)象及自組織臨界性系統(tǒng)研究.pdf

1、本文圍繞著沙堆模型復(fù)雜性現(xiàn)象，展開了以自組織臨界性理論為主的復(fù)雜性理論及應(yīng)用的研究。在已有成果的基礎(chǔ)上，具體工作如下： 1、先前的實驗表明，散粒體呈現(xiàn)自組織臨界性與系統(tǒng)的組構(gòu)特征和組織原則有關(guān)，作為組織原則之一的顆粒非均勻性是影響因素。為進(jìn)一步深入研究，探討其它組構(gòu)特征和組織原則以及其它外界因素對散粒體自組織臨界性的影響，開展了如下實驗： (1)人工碎石材料的均勻沙和非均勻沙單面坡沙堆實驗。碎石材料的沙堆表現(xiàn)的規(guī)律屬性與

2、河沙材料的一致。散粒體顆粒的磨圓度雖然是散粒體的組構(gòu)特征之一，但不是影響散粒體自組織臨界性的因素。 (2)坡面插樁和增設(shè)坡腳平臺的沙堆實驗。這些人為對沙堆系統(tǒng)施加影響的辦法會影響沙堆落沙的量值，但不能改變沙堆原有的規(guī)律屬性。 (3)多尺度的米堆單面坡模型實驗。表明顆粒形狀對散粒體自組織臨界性的影響不顯著。 2、在實驗基礎(chǔ)上，開展沙堆模型復(fù)雜性理論專題研究：(1)在論述、分析自組織臨界性理論特征和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合

3、散粒體實驗，探討了沙堆模型的時空長程相關(guān)性，采用R/S分析法確定非均勻沙堆具有正的長程相關(guān)性，而均勻沙堆不具備。 (2)引入多重分形理論和方法，分析非均勻沙堆自組織臨界狀態(tài)的空間和時間上的多層次分形結(jié)構(gòu)；建立簡化的多重分形動力模型，分析了散粒體自組織臨界狀態(tài)的多重分形動力行為。進(jìn)而，確定了散粒體自組織臨界性的多重分形特征。表明非均勻沙堆比均勻沙堆具有更高的復(fù)雜性。3、采用復(fù)雜性研究方法分析幾類自然災(zāi)害的規(guī)律屬性，探討自組織臨界性

4、的普適性。 (1)斜坡災(zāi)害是沙堆模型直觀表象的自然現(xiàn)象。在對滑坡、崩塌和泥石流的空間分布和時間序列分析時，證明這三種斜坡災(zāi)害冪率分布的共性和自組織臨界性特征。 (2)臨界狀態(tài)下，許多差異很大的物理系統(tǒng)具有極大的相似性?；诖?，分析洪水和沙塵暴的實測資料： a、介紹趨勢消除波動分析法，分析實測最大洪峰流量時間序列，證明序列具有長程相關(guān)性。 b、研究多重分形消除趨勢波動分析法，將其用于強(qiáng)沙塵暴序列分析，檢測出

5、長程相關(guān)性、確定其多重分形結(jié)構(gòu)并得出多重分形奇異指數(shù)譜。 c、研究幾種方法的數(shù)學(xué)原理，論證了不同分析方法的結(jié)果具有可比性。分析發(fā)現(xiàn)，洪水、沙塵暴和斜坡災(zāi)害這三類物理性質(zhì)和成因相差很大的災(zāi)害系統(tǒng)表現(xiàn)出相似的規(guī)律屬性。 4、分析自組織臨界性和準(zhǔn)周期兩種屬性的災(zāi)害預(yù)測預(yù)報思路和方法；從可靠性設(shè)計角度考慮，研究了復(fù)雜性理論指導(dǎo)下的極值統(tǒng)計法的應(yīng)用，推導(dǎo)出冪率特征的極值分布屬于極值Ⅰ型的漸進(jìn)分布，并應(yīng)用于實例的計算。 5、

6、交通工程與環(huán)境的相互作用和協(xié)調(diào)性是交通選線設(shè)計的新課題。利用復(fù)雜性科學(xué)研究的重要手段之——元胞自動機(jī)的自動演化原理，提出了廣義導(dǎo)向線定線法和基于環(huán)境保護(hù)的定線元胞自動機(jī)模型的設(shè)想，進(jìn)行道路選線設(shè)計的新方法研究。 6、散粒體即具有固體的屬性，又表現(xiàn)出流體的性質(zhì)。從這兩方面分別探討散粒體的復(fù)雜機(jī)制： (1)分析散粒體堆積結(jié)構(gòu)、密度、應(yīng)力分布等組構(gòu)的復(fù)雜特征。通過大型沙石密度實驗，表明非均勻沙堆在自然堆積過程中具有較大的隨機(jī)性