系统动力学软件STELLA在生态学中的应用

计算机建模试验是生态学试验的一项重要内容，它有助于人们理解复杂的生态过程，培养系统思考能力.系统动力学是一种描述并仿真复杂反馈系统的方法，适合解决生态学中多因子相互作用问题.系统动力学建模工具STELLA软件因其功能强大、操作简便等特点，在国外已被广泛应用于生态学及其它学科的教学和科研.在简要介绍系统动力学方法及其工具软件STELLA基础上，通过3个应用案例种群离散增长模型、臭氧损耗模型和大熊猫种群动态模型，说明系统动力学软件STELLA在生态学中的应用.     

空间操作臂的高效率动力学建模方法

为了减轻在无外力情况下,空间操作臂系统的操作臂与载体之间的动力学耦合作用,结合增广体、虚拟操作臂及动力学等价操作臂理论,将系统转化为一个具有等效运动学及动力学的基座固定的操作臂系统,使得固定基座操作臂系统的建模方法可以直接应用到空间操作臂系统中,将高效率动力学建模方法空间算子代数理论应用到空间操作臂系统建模中,从而解决空间操作臂系统动力学建模复杂及效率不高的问题,易于计算工作空间,为实时控制奠定了基础.     

“数据分析与计算专栏”主持人语

正随着数字化浪潮席卷而来,人类社会从内容数字化发展到当前物理世界和生物世界的数字化,在此过程中,网络空间和物理空间高度融合,产生了海量数据。如何高效地分析和利用这些数据,给科研人员带来了许多新的机遇和挑战。本期"数据分析与计算专栏"共推出3篇文章。第1篇是王子岩等撰写的"基于系统动力学的资讯个性化推荐研究"。系统动力学是一门基于系统论、控制论与信息论,并借助计算机模拟技术的交叉学科,擅长分析高阶、非线性时变和复杂系统,     

一种复杂机电系统的全局建模方法

根据复杂机电动力学系统的特点,提出了一种约束函数递推组集法的复杂机电系统全局建模方法.首先,根据复杂机电系统的拓扑结构和约旦变分原理,建立机械系统的单体动力学模型,应用递推组集技术建立树形复杂机电系统的动力学模型;其次,建立非树形复杂机械系统约束函数,解除非树形系统约束,利用树形系统的建模方法建立非树形系统的动力学模型;最后,建立机电耦合约束函数,利用约束函数与机电系统方程解约,建立复杂机电系统的全局模型.     

神经网络在复杂系统建模中的应用

 分析了神经网络模型的特点、复杂系统的特征与建模方法论要求,表明神经网络应用于复杂系统建模可行且适用。探讨了当前神经网络在复杂系统建模中应用的文本语言处理、语音识别、图像处理、故障诊断等,针对所存在的不能很好地描述系统结构与演化、不能同时处理多个任务、不能很好解决非重复性问题等主要不足,提出了解决这些问题的初步思路。     

认知仿真：是复杂系统建模的新途径吗?

 在复杂系统研究领域，一直存在着对经验、直觉等认知建模的需求，由于缺乏对认知进行有效建模和仿真的手段，这一问题已成为对复杂系统整体涌现性、混沌、不确定性等特性深入理解的主要瓶颈。分析了“阿尔法狗”在认知智能上的突破，阐述了认知仿真的基本内涵，探讨了经验直觉捕捉对复杂系统建模的重要意义，提出了认知仿真方法依然需要深入思考的问题。     

复杂系统同步的自组织动力学与统计物理学

构建了复杂系统自组织同步行为的一般性序参量理论；讨论了利用Ott-Antonsen拟设等降维方法得到序参量的低维动力学方程，并从微观到宏观的不同层次介绍了复杂系统同步行为的机制、形式以及各种不同表现；探讨了异质耦合振子系统的同步序参量动力学，发现了异质耦合可以导致Bellerophon态.对于高阶网络耦合振子体系，通过研究，发现了突变性的去同步转变，该转变具有不可逆性；探讨了非线性序参量耦合振子系统的同步动力学以及同步附近各种类型的相变及相应序参量的标度性质；确定了集体动力学的突然去同步过渡、连续过渡和混合过渡等3种类型的相变.这些研究对于复杂系统集体行为的深入理解和应用有重要意义.     

具有弹性地基的多层隔振系统的动力学方程

导出了地基土层的功能，势能及该土层的等效质量，等效刚度，等效阻尼系统，从而对于具有弹性地基及联合基础的多层隔振系统提出了一种动力学建模的新方法，该方法能较简便地将弹性地基等效力一个附加在原基础之下的质－弹－阻隔振型，从而将这一复杂的隔振系统的动力学建模问题转化为一般的多层隔振系统的动力学建模问题。     

新四维多卷超混沌Jerk系统的复杂动力学研究

针对仅有一个平衡点的非线性超混沌系统能否产生多卷吸引子这一问题,提出了仅包含一个非线性项且具有唯一平衡点的新四维多卷超混沌光滑系统;基于Sprott构造的三维Jerk混沌系统,结合反馈控制技术及多卷混沌系统的设计方法,利用Routh-Hurwitz判别准则、中心流形定理以及数学仿真软件,对新系统的复杂动力学性质进行了深入地理论分析和探讨;研究发现系统存在唯一的平衡点,且给出此平衡点在不同状态下的参数适用范围,严格证明了新系统存在Hopf分岔现象,进一步数值模拟获得新系统的Lyapunov指数谱、分岔图和Poincaré映射等特征,验证了新系统仅有一个鞍-焦点且能够产生多卷超混沌吸引子、周期吸引子等复杂的动力学行为,丰富了现有Jerk系统的超混沌复杂性研究。     

复杂网络传播动力学研究进展

网络上的信息或者疾病传播问题是复杂网络研究的焦点之一,其不仅依赖于信息或者疾病自身的传播特征,而且依赖于网络的结构与演化,是疾病传播动力学与网络演化动力学的耦合过程,会产生十分复杂的动力学现象。文章主要介绍复杂网络上传播动力学的一些基本概念、建模与研究方法,主要包括基于对关系、度、节点和渗流理论等四类网络传播动力学模型以及复杂网络传播动力学建模与分析方面的主要进展。     

复杂系统动力学、控制的几个问题

本文简述的“复杂系统”,即是多刚体、多柔性体、多充液腔体及其耦合的复杂大系统。航天高科技的发展 ,向力学界提出了研究多体复杂系统动力学、稳定性、振动与控制的重要任务 ,本文将力学与航天高科技相结合 ,简述复杂系统的建模、充液柔性航天器动力学与控制、航天柔性结构动力学与控制、充液柔性航天器大幅晃动的数值模拟的几个问题。     

具有弹性地基的多层隔振系统的动力学方程

导出了地基土层的动能、势能及该土层的等效质量、等效刚度、等效阻尼系统,从而对于具有弹性地基及联合基础的多层隔振系统提出了一种动力学建模的新方法．该方法能较简便地将弹性地基等效为一个附加在原基础之下的质－弹－阻隔振层,从而将这一复杂的隔振系统的动力学建模问题转化为一般的多层隔振系统的动力学建模问题．     

超混沌Tang系统的分析及其线性反馈同步与其电路实现

为产生复杂的超混沌吸引子,基于Tang系统构造了一个新的四维超混沌Tang系统。用数值模拟方法分析了该系统的相图、分岔图和Lyapunov指数谱等基本动力学特性。数值结果表明新系统随着新引入的参数变化呈现周期、混沌及超混沌动力学行为,与以往的超混沌相比,新系统的参数k具有更大的变化范围,并且系统随k与p变化表现出相同的动力学行为且成一定的比例。设计了一种线性控制器实现了该超混沌系统的同步,结果表明了该方法的正确性和有效性。最后设计了相应的实验电路,并在示波器中观察到电路系统的超混沌动力学行为和驱动系统与响应系统的同步结果,这些结果与数值仿真结果基本吻合。     

基于小波网络的混沌时间序列预测

随着对非线性系统研究的深入,人们提出了许多关于混沌序列的非线性预测方法。这些方法大致可分为:全局预测法、局域预测法和自适应非线性滤波预测法。考虑到大多数非线性系统不易建模、且有大量数据供其自学习的特点,在人们对混沌序列的预测分析中,基于Sigmoid函数的BP网络得到了较多的     

区域经济演化的新复杂系统模型及仿真

将广义信息熵的概念引入复杂区域经济系统,建立起普适的多主体耦合方程,形成了复杂系统建模新方法,可揭示复杂区域经济系统中多主体作用动力学及结构演化过程。以长三角区域经济发展模式为例给出了该框架的典型应用。     

基于共轭Lorenz系统的新四维超混沌系统研究

基于共轭Lorenz系统,运用反馈控制技术获得了有2个非线性项的新四维二次超混沌多项式系统;为了更好地理解此系统,研究了系统的局部动力学特性,包括系统耗散性、平衡点个数与稳定性、Lyapunov维数等,证明了系统存在Hopf分岔且给出了此分岔的发生条件;进一步利用系统的相图、Lyapunov指数、分岔等数值分析技术验证了新系统存在复杂动力学性态。     

中国电力网的复杂网络共性

自然界中许许多多包含大量基本单元的复杂系统可以用复杂网络来描述。近年来发现各种不同领域的复杂网络具有一些共性。本文介绍我们统计得到的中国电力网所具有的符合这些共性的性质，以及基于这些共性所提出的一个可能在这种粗糙程度上再现中国电力网发展历程的动力学模型。这种对电力网极其简化的描述思路，也许可以给电力网建模的研究提供一些启示。     

城市生长的理论模型及应用

城市系统是个典型的开放复杂系统,将其视为开放的网络,并引入广义信息熵对其进行描述,由此建立了城市系统结构生长的理论模型.作为复杂系统建模新方法,本模型可揭示复杂城市系统中多组元作用动力学及整体结构演化过程.以上海市城市系统生长模式为例给出了本模型的典型应用.     

一个新超混沌系统

为产生复杂的超混沌吸引子,基于一个3维混沌系统构造了一个新的4维超混沌系统,用非线性动力学分析方法研究了该系统吸引子的相图、时间响应、功率谱、系统的分岔图、Lyapunov指数谱图和Lyapunov维数等.分析结果表明,新的4维系统当参数满足一定条件时,具有2个正的Lyapunov指数,是一个新超混沌系统,随着新引入的参数变化呈现周期、复杂周期、拟周期、混沌及超混沌等复杂的动力学行为.     

复杂机电系统全局耦合模型的建模

复杂机电系统中同时存在许多耦合因素,它们对系统的动态特性有重要影响,有时甚至引起重大故障,工程上迫切需要探明复杂机电系统中网络式多重耦合因素所形成的复杂机理.通过探讨复杂机电系统的全局动态模型的建模方法与过程,为进一步的动态仿真、机理分析、全局优化等工作做准备,并分析了动态方程的类型,提供了建模的具体实例.实例所建全局耦合模型反映了高速轧机垂振系统与扭振系统间的相互影响,也反映了扭振系统中各轴系间的联系,以及电气控制系统与垂、扭振系统的耦合关系、电气系统各部分之间的耦合关系.各动态特性及多重网络式反馈制约关系用框图清晰地给以表达.图1,参12.