灾害系统与灾变动力学研究方法探索

摘要

灾害系统是一个极其复杂的巨系统，它的发生、演化都具有相当复杂的特征，如有序化、突跳性、不可逆性、长期不可预测性以及模糊性、灰色特性等，这些特征都是传统的牛顿力学所不能描述的。然而，耗散结构、协同、突变论、混沌理论等非线性理论和复杂性科学的出现，使得从总体上研究系统灾变的非线性动力学发生、演化过程及控制因素成为可能。以耗散结构、协同、突变论、混沌理论的非线性理论强调了系统发生、演化的方向，亦即系统演化的不可逆性。 开放的灾害系统吸收负熵流，系统的各个组成部分之间存在非线性作用，并在涨落作用下通过自组织和突变形成新的有序的结构—耗散结构。本文从耗散结构和自组织的角度研究整理了实际工程中的滑坡、围岩系统演化、水土流失、生物湮灭等灾变过程的发生、演化，总结了复杂性科学在煤矿安全管理中的指导作用，并介绍了耗散理论在社会经济、证券市场、气象、水文循环中的应用。 突变理论是研究系统的状态随外界控制参数连续改变而发生不连续变化的数学理论，是研究灾变系统突跳特性的重要工具。本文介绍了尖点突变模型在系统危险性评价、预测和采矿、水利工程中灾害分析的应用，以及在隧道、地下硐室施工中防灾的指导作用；介绍了含软弱夹层岩体边坡失稳问题和建筑火灾的燕尾突变模型的应用。 针对灾害系统的模糊性和灰色特性，本文介绍了利用模糊理论和灰色预测理论，为灾害系统的分级、综合评价、聚类分析和灾害的预测等问题整理出了较系统的解决办法。此外，灾害链理论是近几年才发展起来的灾害理论，本文介绍了基于灾害链式发生机理的防灾减灾新方法的当前有关成果。 信息熵是热力学熵的推广，是系统混乱程度的测度。灾害系统的发生就是降维、有序化的过程，因此，用信息熵的演化来描述灾害系统的发生、演化特征是可行的。本文在修正一些既有灾害熵表述的不足之处基础上，构造灾变信息熵基本量的特征，并提出了基于损伤张量第一不变量构造损伤信息熵的观念。介绍了信息熵应用于系统的安全评价以及水文循环等实际问题中。 混沌论是上世纪60年代才建立起来的科学，混沌是指在确定性系统中出现的无规则性或不规则性，灾害的混沌特征主要表现在短期可预测而长期不可预测的特征。用Lyapunov指数、Kolmogorov熵、分数维等研究、预测灾害系统的演化，以达到防灾的目的。本文介绍了滑坡、基坑的非线性混沌预测以及基于混沌理论的冲击地压预测的具体方法。 本文总结大量的灾害研究的资料，并以此为基础探索、总结了灾害系统的非线性与灾变动力学的研究内容和方法，从大系统角度讨论了如何研究灾害孕育、演化、发生、传播、影响，评定、预测和防止的普遍规律和方法。提出了建立灾害系统和灾变动力学的思想和理论框架体系，为灾害研究以及防灾减灾提供了新思路。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1灾害的含义和类型

1.2研究目的与意义

1.3灾害系统与灾变动力学

1.4灾变动力学研究方法与主要结果

1.5关于文献综述

参考文献

第二章灾变与耗散结构理论

2.1灾变系统耗散结构与非线性系统科学的复杂性概述

2.2复杂开放系统的耗散特征

2.3耗散系统的非平衡热力学理论

2.4现代非线性理论基础

2.5工程结构系统非线性动力学方程推导工具

2.6耗散结构系统的动力学灾变特征分析

参考文献

第三章系统灾变行为的协同学理论基础

3.1协同学的基本理论

3.2灾害发生的自组织特性

3.3灾害自组织的幂分布律

3.4灾变过程的随机扩散特征

3.5灾害系统演化的沙堆动力学模型

3.6工程系统灾变的自组织理论应用

3.7岩石-岩体工程系统灾变的协同、分岔分析应用

3.8电力系统大停电事故的协同学分析与预测

参考文献

第四章系统灾变行为的突变论特征

4.1突变论的基本概念

4.2突变论理论基础与基本分析方法

4.3事故和灾害的突变论预测与评价

4.4突变理论在岩土工程灾变分析中的应用

4.5突变理论在采矿工程灾变分析中的应用

4.6突变理论在水利工程灾变分析中的应用

4.7降雨裂缝渗透影响下山体边坡失稳灾变分析

4.8灾变分析的燕尾型突变动力学模型

参考文献

第五章灾变行为的模糊理论描述

5.1模糊数学基础

5.2灾害评估研究内容与方法

5.3灾变问题的模糊分析及隶属度函数

5.4灾变特征的模糊识别评价

5.5灾变状态的模糊综合分析与评定

5.6灾变信息熵的模糊性

5.7基于模糊马尔可夫链状原理的灾害预测

5.8工程系统灾变的多理论综合模糊分析应用

参考文献

第六章系统生态环境灾变的链式的理论

6.1自然灾害链式的理论体系

6.2灾害链式结构的数学关系与模型分析

6.3自然灾害链断链减灾模式分析

6.4自然灾害链式理论的工程分析算例

参考文献

第七章系统灾变的灰色预测

7.1灰色分析的基本数学原理

7.2灾害的灰预测

7.3灰色预测理论的应用

7.4灰色理论与其它理论的结合应用

7.5灰色多维评估理论与应用

参考文献

第八章系统灾变特征的信息熵表示

8.1熵的概念与基础

8.2各种熵间的关系与应用

8.3最大熵原理及其在灾害分析中的应用

8.4工程结构分析中灾变信息熵应用

8.5灾变信息熵的非确定性描述

8.6信息熵在系统安全、风险、灾变分析中的应用

参考文献

第九章灾变演化的非线性动力学综合分析

9.1工程灾变问题中的非线性动力学混沌分析

9.2混沌的的识别与预测

9.3非线性动力系统的相空间重构技术与应用

9.4基于机理模型的工程灾变综合分析

9.5工程灾变问题中的综合分析方法与模型

参考文献

结论与展望

致谢

个人简历