灾害研究中的自组织临界性及其判据

自组织临界性为灾害问题的研究开辟了新途径。但不能仅仅以灾害规模的幂律分布作为自组织临界性的判断标准,还应当注意系统的规模、外界扰动的标准,以及系统的组织结构等问题。通过溜砂坡模拟实验研究,提出:仅当系统的规模、组织结构和扰动的强弱三者相互作用能够使系统具有整体的鲁棒性,使系统始终维持在临界状态,才能够呈现自组织临界性。在此基础上,提出了自组织临界性的5个判断标准。

散粒体离心模型自组织临界性及地震效应分析

基于自组织临界性(SOC)理论,运用土工离心模型试验技术,开展了粒径为0.5～1.0 mm的均匀沙和非均匀系数φ=3.1的非均匀沙两种级配的散粒体沙堆模型试验。并在试验基础上分析了散粒体斜坡崩滑地质灾害的SOC现象和地震诱发作用下散粒体斜坡崩滑失稳的模式与规律。研究结果表明,大尺度松散堆积散粒体系统在一定条件下也能呈现SOC现象,体现了以土木工程为背景的散粒体斜坡崩滑地质灾害规律,突破了关于SOC研究的尺寸效应问题;同时该沙堆模型离心试验还模拟了在拟静力水平地震力作用下散粒体斜坡崩滑的失稳模式,提出了在相当于地震烈度为Ⅴ度的拟静力水平地震力诱发作用下,φ=3.1的非均匀沙石散粒体系统崩滑失稳符合幂律分布,呈现SOC的结论。

自组织临界性及其在散粒体研究中的应用

首先简述了自组织临界性理论的基本概念和在方法论方面的启示,然后介绍了三种发现散粒体自组织临界性与粒径的非均匀性有关的沙堆模型实验,进而提出假设:若系统的组构能对干扰传播形成足够的制约,限制其各部分敏感性递增的趋势,从而维持其整体的鲁棒性时,大尺度的系统也能呈现自组织临界现象。最后通过对野外观测资料的分析,提出了在稳定流条件下非均匀推移质输沙率将服从负幂率分布的观点,并对自组织临界现象的判据等问题进行了讨论。

快速城市化地区生态质量退降的自组织临界性——以深圳市南山区为例

弄清快速城市化地区生态退降过程的机制,可以为相关景观动态模型建设和调控策略选择创造有利条件。借助于自组织临界性理论和方法,在基于多时段遥感影像数据的景观分类和生态质量制图结果支持下,以深圳市南山区为例进行了快速城市化地区生态质量退降的自组织临界性研究,以期揭示城市化过程与生态质量退降过程的响应关系和生态质量退降的过程特点。结果表明,工作区内建设用地扩张过程和生态质量退降过程均具有典型的自组织临界性特点;区域生态质量退降主要是由建设用地扩张导致3种不同生态质量区域之间发生的3种主要生态质量退降过程造成的;建设用地扩张和3种主要生态退降过程的动态分形指数都呈现出不断增加的趋势;具有自组织临界特征的建设用地扩张过程是同样具有自组织临界性特点的各种生态质量退降过程发生和发展的主要驱动力来源。

自组织临界性与地震预测——对目前地震预测问题争论的评述(之一)

目前国际上围绕地震预测问题的争论，很大程度上与地震的自组织临界性（ＳＯＣ）模型有关。根据地震的ＳＯＣ模型，地震预测被认为是不可能的。事实上，这是一个误解。这个误解又是关于地震的ＳＯＣ模型的诸多误解中的一个。在地震的ＳＯＣ模型中，地震的能量－频度关系具有重要的地位。考虑地震的能量－频度分布的细致结构，可以发现地震活动具有“ＳＯ而不Ｃ”的特点。而即使地震可以被作为一种自组织临界现象，得出“地震预测不可能”的结论也显得过于仓促和简单化。目前普遍使用的地震的ＳＯＣ模型，主要适用于中长期地震预测的情况。ＳＯＣ模型为地震危险性分析中用过去的有限资料来预测未来地震的方法提供了看上去合理的理论依据。此外，就地震预测而言，地震的ＳＯＣ模型无论是在试图给出ＧｕｔｅｎｂｅｒｇＲｉｃｈｔｅｒ定律的物理解释方面，还是在提醒人们从物理学的角度思考地震预测的可能性方面，无论是在揭示简单的物理模型在理解地震现象中的价值方面，还是在提示人们不要把搜寻前兆信息的目光仅仅局限在一个狭小的范围方面，都是极有启发性的。

大尺度散粒体自组织临界性研究

本项目围绕用实验验证大尺度的系统也能呈现SOC现象的核心工作，在发现现象、提炼科学问题、探索研究方法方面达到预期目标，为进一步实现我国在颗粒组构特性对SOC影响上占领前沿地位的目标，打下了良好基础。

复杂系统的演化模式——自组织临界性

耗散结构理论、协同学、突变论、超循环论,以及混沌、分形和1/f噪声理论,从复杂系统出现的条件、环境、途径、动力学,以及时序与几何角度分别对复杂系统进行了尝试性的探索。SOC理论则回答了系统演化的模式问题。着重介绍了SOC理论的诞生、定义、发展和特点,分析了SOC理论与混沌、分形和1/f噪声的区别和联系,阐述了SOC理论是一个整体理论,必须采用"整体论"的方法论进行研究。并指出SOC理论是继人类的科学认识发现静止稳态、随机状态、混沌状态之后又发现的一种新的复杂状态,它或许打开了通向复杂性的一扇大门。

大学物理教学中的复杂性思维培养研究

文章探讨了复杂性科学理论在物理教学中的应用及其对学生思维发展的影响。通过引入非线性动力学、自组织临界性理论、复杂网络拓扑结构以及量子力学的概率诠释与不确定性原理等框架,文章阐述了这些理论如何为物理教学提供新的视角和工具,帮助学生更深入地理解物理现象的复杂性和非线性特征。文章还强调了这种教学模式在培养学生复杂性思维、科学素养和创新能力方面的重要性,指出将复杂性科学理论融入物理教学是未来教学改革的重要方向,有助于培养具备跨学科解决问题能力的人才。

成矿过程奇异性与矿产预测定量化的新理论与新方法

在分析地震、滑坡、洪水、暴雨、森林火灾等一系列非线性地球系统过程共同特征的基础上,笔者提出了成矿过程作为奇异性过程的命题。探讨了成矿过程奇异性、广义自相似性、自组织临界性等基本非线性特征的内在联系。从多重分形理论出发给出了:(1)度量成矿域空间结构不均匀性的局部奇异性分析模型;(2)度量成矿多样性与自相似性关系的系列广义自相似性度量模型;(3)首次给出了奇异性指标作为度量控矿要素与矿床分布相关关系的非线性模型,提出了从奇异性出发计算成矿后验概率的新的对数概率模型;(4)介绍了成矿奇异性的动力学模拟过程。详细介绍了非线性矿产资源预测理论和方法的基本内容和模型。

基于自组织临界性理论的知识创新涌现分析

以自组织理论及自组织临界性理论分析知识创新涌现与知识创新系统的行为规律,提出微创新迭代演进的理念,论述自组织结构下知识创新系统的自组织临界性特征,构建测度系统知识创新分布的创新熵,并阐述本研究对知识创新系统实施自组织管理的实践启示。

成矿过程奇异性与矿床多重分形分布

本文将成矿过程与地震、火山、滑坡、洪水、暴雨、森林火灾等一系列非线性地球系统过程称之为奇异性过程(Singular Processes)。奇异性过程的基本特征是在相对很小的时间间隔或者空间范围中产生巨大能量释放或者物质超常富集或堆积。探讨了奇异性过程的"资源"与"灾害"双重效应;从地幔对流、板块构造等自组织临界性系统探讨了成矿过程的奇异性以及成矿结果服从多重分形分布规律,如矿床规模与个数、矿床品位与个数等;介绍了可以刻画成矿域空间结构的不均匀性、尺度独立性和自组织临界性的多重分形模型,如度量元素富集强度的局部奇异性模型,度量成矿域结构各向异性的广义自相似性模型,以及度量分形结构序次的分形谱系模型。这些非线性模型为矿产资源定量预测提供了新的思路和工具。

基于非线性RSH方法的泥石流灾害预测预报

泥石流灾害系统是一种自组织临界性系统,这种系统的演化总是处在混沌的边缘,系统的演化过程是可以预测的。将改进的重标极差分析方法(RSH)引入泥石流灾害前兆观测资料的处理和分析中,并在计算赫斯特指数H时,定义1个涵盖序列历史和序列长时记忆信息的时间窗。应用该方法对云南蒋家沟泥石流总径流量观测数据进行研究表明:云南蒋家沟泥石流总径流量时间序列不仅具有持久相关性,而且在激增前赫斯特指数值要经历1个先降维,然后升维的过程。根据对云南蒋家沟泥石流总径流量时间序列赫斯特指数值及其变化的分析,提出了预测预报泥石流灾害的3种定性判据。

事故致因本质剖析及其理论建模研究

为明晰事故致因本质、促进安全科学基础理论的发展,基于已有事故致因体系和SOC理论,采用“正向构建”范式,构建以能量和信息为主线的C-EI-C模型。从微、中、宏系统自组织演化和它系统被组织演化4个阶段介绍了系统演化过程,并延伸了模型内涵,阐述其功能与价值。研究表明:将能量与信息结合是安全科学研究的一种新思路,新模型明确了事故致因本质,揭示了完整的事故致因机理,为事故预测提供了科学依据,从而真正做到事故的超前预防。

自组织临界性及其在斜坡重力作用灾害研究中的应用

首先介绍了3种在自组织作用下的反映斜坡物质能量耗散普适性过程的沙堆模型实验,以及托卡马克等离子体试验.实验表明,当沙堆由非均匀颗粒组成时呈现SOC现象;托卡马克等离子体当约束条件减弱时具有SOC的一些特性.然后通过沙石材料土工性质的测试和堆积结构模拟分析,得出SOC主要由系统的组构特征确定的结论.最后在SOC的概念框架下讨论了斜坡重力作用灾害的机理研究、预测预报以及防治工程设计等问题.

基于模糊元胞自动机的电网故障演化模型

为了构建与实际电网更加接近的电网故障模型,将模糊理论及元胞自动机(CA)理论相结合,提出并建立了用于模拟电网故障演化的模糊元胞自动机模型,并定义了模型中元胞状态、电网状态及故障传递程度的模糊规则库,同时进行了基于IEEE39节点系统的电网故障传播演化过程仿真。仿真结果进一步验证了电网的自组织临界性(SOC),同时结果表明,该模型较不采用模糊规则的电网故障模型其损失负荷幂律特性曲线斜率绝对值增大了17%,电网更加稳定,该模型与电网实际运行情况更加接近。

DNA序列分析法在金融数据时间序列中的应用

通过线性分段将连续性的金融时间序列转化为离散性的字符序列,并基于DNA序列分析法,讨论了此类字符序列的标度特性。