沙堆模型復雜性現(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雜性現(xiàn)象，展開了以自組織臨界性理論為主的復雜性理論及應用的研究。在已有成果的基礎上，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)的組構特征和組織原則有關，作為組織原則之一的顆粒非均勻性是影響因素。為進一步深入研究，探討其它組構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、在實驗基礎上，開展沙堆模型復雜性理論專題研究：(1)在論述、分析自組織臨界性理論特征和內(nèi)涵的基礎上，結合

3、散粒體實驗，探討了沙堆模型的時空長程相關性，采用R/S分析法確定非均勻沙堆具有正的長程相關性，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構；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雜性。3、采用復雜性研究方法分析幾類自然災害的規(guī)律屬性，探討自組織臨界性

4、的普適性。 (1)斜坡災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。基于此，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性。 b、研究多重分形消除趨勢波動分析法，將其用于強沙塵暴序列分析，檢測出

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

6、交通工程與環(huán)境的相互作用和協(xié)調(diào)性是交通選線設計的新課題。利用復雜性科學研究的重要手段之——元胞自動機的自動演化原理，提出了廣義導向線定線法和基于環(huán)境保護的定線元胞自動機模型的設想，進行道路選線設計的新方法研究。 6、散粒體即具有固體的屬性，又表現(xiàn)出流體的性質。從這兩方面分別探討散粒體的復雜機制： (1)分析散粒體堆積結構、密度、應力分布等組構的復雜特征。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性