本书应用智能计算的理论与方法，结合智能控制理论对工程系统与社会科学中普遍存在的非线性动力学与控制问题进行了详细阐述，介绍了目前在该领域的一些基本分析方法和计算技术，内容涉及复杂性与复杂系统、智能计算、复杂网络、多尺度分析、计算材料、计算经济、计算实验、非线性建筑、复杂交通工程管控、决策支持、管理与控制以及其他智能计算在新兴领域中的进展。本书将理论分析、数据计算和实验研究相结合，注重结果的完整性和真实性。
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“非线性动力学丛书” 序
前言
第 1 章 复杂系统概述 1
1.1 复杂性及系统 1
1.1.1 复杂性 1
1.1.2 系统 3
1.1.3 复杂系统的特征 4
1.1.4 其他语境中的系统 5
1.2 复杂系统研究与求解 6
1.2.1 复杂系统的物理学源起 6
1.2.2 复杂系统的控制与管理 6
1.2.3 复杂系统研究的认识论 8
1.2.4 复杂系统的计算求解和适应性 9
1.3 复杂系统研究概况 11
1.3.1 中国科学家的贡献 11
1.3.2 国际研究机构与学者 11
1.4 小结 15
参考文献 15
第 2 章 复杂系统的一般特性 17
2.1 三论 17
2.1.1 系统论 17
2.1.2 控制论 18
2.1.3 信息论 18
2.2 复杂系统的性质 19
2.2.1 耗散 20
2.2.2 熵 20
2.2.3 序参量 21
2.3 复杂系统的现象 22
2.3.1 混沌 22
2.3.2 涌现 23
2.3.3 演化 24
2.3.4 突变 26
2.3.5 涨落 27
2.3.6 崩塌 27
2.4 复杂系统的统计研究 28
2.4.1 统计系综 29
2.4.2 统计力学 29
2.4.3 统计动力学 30
2.5 小结 31
参考文献 31
第 3 章 复杂系统的计算特性 33
3.1 幂律分布与特性 33
3.1.1 幂律分布 33
3.1.2 复杂网络中的幂律连接 35
3.1.3 长尾效应 36
3.1.4 自组织临界性中的幂律 37
3.2 可计算的 Agent 39
3.2.1 为 Agent 赋予属性 39
3.2.2 Multi-Agent 表达的复杂系统 39
3.2.3 Multi-Agent 的感知与计算 40
3.2.4 与元胞自动机的异同 41
3.3 行为计算 41
3.3.1 社会计算 42
3.3.2 行为与行为运作 42
3.3.3 行为运作管理中的服务与报酬要素 43
3.3.4 士气行为运作 45
3.4 计算复杂度 47
3.4.1 时间复杂度 47
3.4.2 空间复杂度 48
3.5 小结 49
参考文献 49
第 4 章 复杂网络理论及其应用 51
4.1 复杂网络概述 51
4.1.1 复杂网络研究历程 51
4.1.2 复杂网络结构 52
4.1.3 复杂网络的几何特征量 52
4.2 复杂网络基本模型 54
4.2.1 规则网络 54
4.2.2 随机网络 54
4.2.3 小世界网络 55
4.2.4 无标度网络 56
4.3 基于复杂网络的流行病学分析 59
4.3.1 流行病的传播过程 59
4.3.2 流行病的感染模型与流行模型 60
4.3.3 基于无标度网络的流行病传播模型 64
4.3.4 营区流行病防控 67
4.4 复杂网络中的崩塌 69
4.4.1 复杂系统崩塌现象 69
4.4.2 复杂电网负荷容量模型 70
4.5 小结 73
参考文献 73
第 5 章 多尺度数据与多尺度计算 76
5.1 多尺度分析 76
5.1.1 多尺度现象与多尺度数据 76
5.1.2 宏观与微观领域中的多尺度分析 78
5.1.3 数据驱动 80
5.1.4 搜索引擎广告关键字数据及收益计算 81
5.2 时频处理与尺度空间 83
5.2.1 小波变换 84
5.2.2 多分辨分析 86
5.2.3 尺度空间 88
5.2.4 尺度不变特征变换 91
5.3 多尺度数据的经验模态分解计算 93
5.3.1 经验模态分解方法 93
5.3.2 大气湍流数据的 EMD 分解 96
5.3.3 心电信号的 EMD 与增强 Poincaré 散点图多尺度数据分析 98
5.4 肺疾病 CT 影像的人工智能辅助诊断及相关定量 101
5.4.1 肺病症 CT 影像基本特征 101
5.4.2 IPF 人工智能辅助诊断及相关定量 103
5.4.3 COVID-19 肺部 CT 影像的特征分割 107
5.5 日地间多源多模态多通道数据的空间天气深度计算与预报 114
5.5.1 日地间监测数据与空间天气指标 114
5.5.2 太阳活动区极紫外图像的耀斑分级 117
5.5.3 多模态太阳风数据与冕洞极紫外图像的 Kp 指数预报 122
5.6 小结 130
参考文献 131
第 6 章 复杂系统控制与管理 136
6.1 复杂系统控制 136
6.1.1 非线性动力学智能建模与控制 136
6.1.2 人工智能应用的数据要求 138
6.2 复杂系统管理 138
6.2.1 管理与决策支持 139
6.2.2 应急管理系统 139
6.3 交通系统管理与决策 142
6.3.1 交通运输系统中的矛盾关系 142
6.3.2 城市行政管理的溢出效应 145
6.3.3 交通基础设施建设与社会资本参与——以香港海底隧道为例 150
6.3.4 网约出租车的资格制实践 153
6.4 百年大计教育为先 155
6.4.1 希望工程与基础教育的变迁 155
6.4.2 城乡教育发展和资源的不平衡状况 156
6.4.3 基础教育宏观调控十年 158
6.5 小结 161
参考文献 161
第 7 章 若干学科的现代计算研究 163
7.1 计算材料学与智能材料 163
7.1.1 计算材料学基础 163
7.1.2 计算材料学模拟方法 164
7.1.3 计算智能材料建模示例 166
7.2 从计算经济活动中的人开始 169
7.2.1 经济学中的行为、规律和计算 169
7.2.2 计算经济方法 170
7.2.3 农产品期货交易中的行为分析及羊群效应 171
7.3 可视化技术及应用 174
7.3.1 不同时期的地铁与高铁运行线路图 174
7.3.2 动画、模型与计算可视化 177
7.3.3 微创手术野的可视化及增强现实 181
7.3.4 可交互混合现实 183
7.4 经典学科的计算技术研究 188
7.4.1 计算语言学及其应用 188
7.4.2 计算生物学与基因治疗 191
7.5 综合医院建筑体内部交通的疏导机制 192
7.5.1 大型建筑物内部行人通行体系及现状 193
7.5.2 大型医院建筑体内部通行体系的疏导设计 195
7.6 小结 199
参考文献 200
第 8 章 非线性动力学与复杂系统研究进展 202
8.1 非线性建筑及其表达方式 202
8.1.1 非线性建筑如何处理与环境和人之间的关系 202
8.1.2 公共建筑的非线性及其表达 203
8.1.3 居住空间的非线性 207
8.1.4 建筑样式风格的迁移 210
8.2 行为：成因与结果 211
8.2.1 为什么行为如此重要 212
8.2.2 行为是如何产生复杂因果的 213
8.3 动力学分析的多元化 215
8.3.1 病毒或纳米颗粒的入侵机制 215
8.3.2 药物动力学 217
8.4 关于网络的三个关键事实 219
8.4.1 事实 1：网络是无法预测的 219
8.4.2 事实 2：大多数网络节点的动态变化同时发生 220
8.4.3 事实 3：随着网络规模增加, 信息减少 221
8.5 人文与社会 222
8.5.1 社会物理学模型 222
8.5.2 社会规则的建模 223
8.5.3 历史运动的建模 224
8.5.4 经济网络 225
8.6 平行架构的逻辑与思辨 226
8.6.1 平行宇宙与平行世界 226
8.6.2 计算仿真与实验之间的交错关系 227
8.7 最后的思考 229
8.7.1 行政干预才能解决交通拥堵问题吗 229
8.7.2 规则是应对变化的基石吗 230
8.7.3 复杂系统是不可解的吗 231
8.8 小结 232
参考文献 232
“非线性动力学丛书” 已出版书目 235
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