河道及近海水流的数值模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学出版社

作者:槐文信赵明登童汉毅

出品人:

页数:235

译者:

出版时间:2005-5

价格:36.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030147288

丛书系列:

图书标签:

• 数值模拟
• 水动力学
• 河道流
• 海洋流
• 计算流体力学
• 水文模型
• 环境流体
• 海岸工程
• 水资源
• CFD

复杂系统动力学与控制：理论、模型与应用 内容提要 本书深入探讨了复杂系统动力学的基础理论、建模方法及其在工程、生态、经济等多个领域的实际应用。全书内容结构严谨，逻辑清晰，旨在为读者提供一个全面而深入的视角，理解和驾驭由非线性、不确定性和反馈机制主导的复杂系统。 本书首先从数学和物理学的基本原理出发，回顾了经典动力学系统的主要概念，如相空间、吸引子、分岔理论等。在此基础上，重点引入了现代复杂性科学的核心工具，包括：随机过程、网络科学、信息论在系统描述中的应用，以及高维非线性系统的分析技术。 随后，本书详细阐述了多种适用于描述复杂系统的建模范式。除了传统的基于微分方程的模型外，还深入介绍了基于主体（Agent-Based Modeling, ABM）的方法，阐述了如何利用微观个体的互动规则来涌现出宏观的集体行为。此外，针对数据驱动的挑战，本书也涵盖了基于数据挖掘和机器学习的系统辨识方法。 在控制理论方面，本书超越了传统的线性最优控制，着重讲解了适应性控制、鲁棒控制、以及针对时变和不确定系统的智能控制策略，例如基于强化学习的控制框架。这些先进的控制理论被专门用于解决复杂系统中的状态估计、冲突管理和目标优化问题。 最后，本书通过大量的案例研究，展示了这些理论和方法论在实际工程和自然科学中的强大应用能力。这些案例覆盖了交通流的自组织现象、生态系统中物种间的竞争与共存、电网的同步与稳定性分析，以及金融市场中的波动性建模等前沿领域。 本书适合具有高等数学、微分方程和基础控制理论知识的理工科高年级本科生、研究生，以及从事复杂系统研究、设计和管理的工程师与科研人员阅读。 --- 第一部分：复杂系统动力学的数学基础 第一章：动力学系统的回顾与扩展 本章回顾了经典动力学系统的基本描述框架，包括常微分方程（ODE）和偏微分方程（PDE）的解的性质。重点在于引入维数灾难的概念，并解释为何在面对大量相互作用组分时，传统分析方法会失效。我们探讨了庞加莱截面法在线性系统和简单非线性系统中的应用，并引入了李雅普诺夫函数作为稳定性分析的工具。 第二章：非线性动力学的核心概念 本章是理解复杂性的基石。我们深入探讨了非线性系统特有的现象： 分岔理论（Bifurcation Theory）：详细分析了鞍结分岔、转子分岔、Hopf分岔等经典类型，解释了系统参数微小变化如何导致定性行为的突变。 混沌现象（Chaos）：引入了敏感依赖初始条件的严格定义，探讨了庞加莱截面上的混沌吸引子的结构，并计算了李雅普诺夫指数作为量化混沌程度的指标。 分形几何与奇异吸引子：讨论了耗散系统解空间的几何特性，引入了豪斯多夫维数和关联维数的概念，以描述复杂吸引子的自相似结构。 第三章：随机性与不确定性对动力学的影响 现代复杂系统普遍存在内部随机扰动或外部噪声影响。本章关注如何将概率论引入确定性动力学模型： 随机微分方程（SDE）：介绍伊藤积分和伊藤公式，构建基于布朗运动的系统模型，特别是Langevin方程在描述布朗运动和热力学系统中的应用。 随机共振与噪声诱导的相变：分析了适度的噪声如何增强或改变系统的响应特性，这是许多物理和生物系统中观察到的关键现象。 马尔可夫过程与稳态分布：讨论了如何利用福克-普朗克方程（Fokker-Planck Equation）来描述系统的概率密度函数演化，并计算系统的稳态概率分布。 --- 第二部分：复杂系统建模与结构分析 第四章：网络科学：结构与功能 复杂系统通常可以抽象为由节点和边构成的网络。本章聚焦于描述这些拓扑结构及其对系统功能的影响： 经典网络拓扑：详述了随机网络（Erdős-Rényi）、小世界网络（Watts-Strogatz）和无标度网络（Barabási-Albert模型）的构建算法及其统计特性（如度分布、平均路径长度、聚类系数）。 网络上的动力学：研究了传播过程（如疾病传播、信息扩散）如何在网络结构上展开，分析了级联失效的风险。 模块化与社团结构：介绍检测网络中高密度连接子群（社团）的算法，探讨模块化对系统鲁棒性和信息流的意义。 第五章：基于主体的建模（ABM）范式 当系统的宏观行为源于大量个体之间局部、非线性的互动时，ABM成为首选工具。 ABM的设计原则：阐述了如何定义主体（Agent）的属性、决策规则、以及它们如何感知和影响环境及其他主体。 涌现现象的模拟：通过具体的例子，如交通拥堵的形成、群体行为的同步，展示如何通过简单的局部规则涌现出复杂的、难以预测的全局模式。 模型验证与校准：讨论了ABM模型相对于基于方程模型的挑战，特别是如何使用真实观测数据对模型参数进行系统性校准和验证。 第六章：复杂系统中的信息与控制论 本章将信息论工具应用于复杂系统的分析中： 熵与复杂性度量：引入互信息（Mutual Information）和迁移熵（Transfer Entropy），用以量化系统中不同部分之间的依赖性和因果关系的方向性。 复杂性分解：讨论如何利用信息论方法将一个系统的复杂性分解为其冗余部分和信息创新部分。 控制的局域性与全局性：分析在面对不完整信息时，最优控制策略如何侧重于操纵关键节点的连接或信息路径。 --- 第三部分：复杂系统的先进控制与优化 第七章：鲁棒性与适应性控制策略 针对系统参数的漂移和外部干扰，传统的精确控制往往失效。本章聚焦于提高系统的韧性： $mathcal{H}_{infty}$ 控制：针对不确定模型和外部干扰，设计能保证闭环系统性能的控制律，强调对最坏情况的鲁棒性。 自适应控制：讨论系统参数未知或时变时，控制器如何实时估计这些参数并相应地调整控制输入，如基于梯度下降的参数估计方法。 控制抗混沌：介绍如何利用反馈线性化或奥古斯丁-肯尼迪（OGY）等方法，通过微小的扰动将混沌系统转移到期望的周期轨道上。 第八章：基于学习的控制与决策 随着计算能力的提升，利用数据驱动的方法来设计复杂系统控制器成为可能： 强化学习（RL）在控制中的应用：将系统动力学建模为马尔可夫决策过程（MDP），介绍Q-Learning和深度确定性策略梯度（DDPG）等算法，用于在无模型或高维状态空间中发现最优控制策略。 模型预测控制（MPC）的扩展：讨论如何将MPC框架扩展到非线性系统和具有复杂约束（如网络流约束）的情况下，利用实时在线优化来提前规划控制序列。 群体智能算法在优化中的应用：介绍粒子群优化（PSO）和蚁群优化（ACO）等方法，如何用于求解复杂系统中的多目标、非凸优化问题，例如资源分配或网络路由。 --- 第四部分：应用案例分析 第九章：社会经济系统的动力学建模 本章展示了复杂性工具在人类社会系统中的应用： 金融市场的多尺度建模：使用随机网络模型描述投资者之间的信息传递，并利用长记忆过程（如GARCH模型）描述资产回报率的时间序列特性。 意见传播与社会极化：应用基于连续空间或网络结构的非线性动力学模型，分析不同社会群体对特定议题的观点是如何在互动中演变，最终导致共识或分裂。 第十章：工程系统中的可靠性与弹性 关注于大型集成工程系统（如电力、通信）的动态可靠性问题： 电网的暂态稳定分析：将大规模电力系统视为一个耦合的非线性振荡器网络，分析在故障（如线路跳闸）下，系统如何从稳定状态跌入混沌或解耦状态，并应用网络鲁棒性理论指导防御策略。 多主体协同与冲突解决：在涉及多个独立决策单元的系统中（如自动驾驶车队或无人机编队），设计基于博弈论和分布式控制的机制，以确保整体任务的完成，同时避免资源竞争或碰撞。 --- 结语 复杂系统是理解我们周围世界的关键。本书提供的理论框架和工具箱，强调了从微观互动中发现宏观规律的重要性，以及在不确定性和非线性面前设计有效控制的挑战与机遇。通过掌握这些工具，读者将能够以更深刻、更全面的视角去剖析和管理那些由无数相互关联要素构成的系统。

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说实话，这本书的门槛相当高，它不是那种能让你在周末轻松阅读的书籍。我是在一个暑假期间，抱着“必须啃下来”的决心开始的。这本书的结构就像一个精心设计的迷宫，每一条路径都通向一个更深层次的理解，但你必须按部就班地走。我感觉作者花费了巨大的心血来整理和系统化这些分散在各个研究领域中的数值技巧。特别是在验证和校准模型的部分，作者详细介绍了如何利用实测数据来评估模型的可靠性，而不是仅仅满足于数学上的解。这体现了一种科学的严谨态度——计算结果必须接受现实的检验。对我个人而言，这本书更像是一位严厉的导师，它强迫我面对自己的知识盲区，并一步步引导我掌握解决复杂水动力问题的核心技能。

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当我翻开这本书时，首先感受到的是一种扑面而来的专业气息，它显然是写给已经入门的工程师和研究人员看的。我尝试着跳过一些基础概念直接去看中间章节关于非恒定流模拟的部分，结果发现自己很快就迷失了。这本书的叙事风格非常直接，几乎没有使用任何修饰性的语言来引导情绪，它就是冷峻、精确地陈述事实和方法。我发现，如果我没有事先对流体力学软件的底层逻辑有所了解，光看文字描述是很难想象出实际计算过程是怎样的。因此，我不得不经常停下来，去查阅一些更基础的流体力学教材来巩固概念，然后再回过头来细嚼这本书中的复杂公式。这本书的价值在于它提供了一种“自顶向下”的理解框架，它假设读者有能力将理论模型与实际的数值方法连接起来，从而形成一个完整的知识闭环。

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这本书的封面设计得相当朴素，一看就是那种专注于内容的学术专著。我拿起这本书的时候，首先被它严谨的排版吸引了。书中的文字密度很大，图表和公式也很多，这让我立刻意识到，这不是一本轻松的读物。对于一个初涉水利工程领域的研究生来说，这本书无疑是一座宝库。它深入浅出地讲解了流体力学的基础理论，特别是如何将复杂的自然水体运动转化为可以计算的模型。我特别欣赏作者在推导各种控制方程时的细致入微，每一步的逻辑都清晰可见，完全没有含糊其辞的地方。虽然初读时会有些吃力，需要反复琢磨那些偏微分方程的含义，但一旦理解了其中的核心思想，再去看任何相关的文献都会觉得豁然开朗。这本书更像是一本工具书，而不是故事书，它提供的知识是立竿见影的，直接关系到我们能否在实际工作中解决问题。那种面对复杂难题时，能从书中找到理论支撑和计算方法的踏实感，是其他任何泛泛而谈的书籍都无法给予的。

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这本书的阅读体验，说实话，更像是在攻克一座技术堡垒。我是在一个连续的雨季开始阅读的，那时候正好手头有个关于城市排水系统的优化项目。我原本以为这本书会直接给我现成的答案，结果发现它要求读者具备相当的数学功底。作者似乎更倾向于让读者自己去“构建”起整个模拟体系，而不是直接“使用”一个预设好的软件说明书。书中的章节安排很有层次感，从最基本的动量和质量守恒定律开始，逐步过渡到网格划分、边界条件的设定，以及最终结果的误差分析。我印象最深的是关于湍流模型的部分，作者花了大量篇幅对比了不同模型的适用性和局限性，这对于我们在实际工程中选择合适的计算方法至关重要。它教会了我，没有绝对“好”的模型，只有“最适合当前工况”的模型。这种深刻的洞察力，只有长期在一线研究的专家才能提炼出来，非常宝贵。

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这本书的装帧和印刷质量倒是中规中矩，符合一般教材的标准，但内容上的厚重感是无法忽视的。我最欣赏的一点是作者在讨论数值方法时，总是紧密结合实际工程中的“痛点”来展开论述。比如，在处理复杂地形和水下结构物附近的流场时，传统方法往往计算不稳定，这本书就专门辟出一章来讨论如何通过改进离散格式和时间步长策略来提高收敛性和精度。这种务实精神，让这本书摆脱了纯粹的理论说教，真正成为了一本指导实践的典范。我记得有一次在模拟一个防洪工程的效果时遇到了计算发散的问题，正是书中提到的一种特定边界处理方法帮我找到了突破口。这种“救急”的知识点，才是衡量一本技术书籍含金量的关键所在。

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