大规模复杂工程跨尺度关联及耦合的非线性动力学与控制研究

Multi-scale features the main character of the large and complex projects and social systems of nonlinear factors in the fields of engineering and information security. Increasing with the development of computer and data processing technology, it is bringing forth a breakthrough to explore the evolution and rules of cross-scale correlation and multi-scale coupling，jump, destruction and collapse of the dynamics of the phenomenon process. This project attempts to study the nonlinear mechanism and dynamic control for the large-scale complex engineering with multi-scale correlation and trans-scale coupling. First, a multi-resolution and trans-scale for multi-scale factors is modeling by the terms of supportive environment and analytical tool under the multi-resolution and multi-scale simulation model. Then, for the typical multi-source, heterogeneous and redundant data of nonlinear dynamics systems, this stydy adapts data fusion and retrieval to reveal the intrinsic association rules, so as to establish a method combining of data fusion and data-driven control for multi-spatial and temporal scales. Finally, computational experiments are designed to validate the control performance by the means of emergence simulation and oberservation, which is also to overcome the difficulities that the complex systems isn't easy to experiment. In short, for the key problem of association of trans-scale and multi-scale coupling of nonlinear dynamics and control, this research will provide critical theories and technical supports for large-scale, complex, multi-field coupling and management of complex engineering and information security.

多尺度特征是目前大规模复杂工程与社会系统的主要非线性影响因素。在工程控制与信息安全领域，探索跨尺度关联与多尺度耦合引起的演化、跃迁、破坏与崩溃等现象的动力学过程及其作用规律等问题，正在随着计算机与数据处理技术的发展，显示出具有突破性的发展前景。本项目主要研究大规模复杂工程跨尺度关联及耦合的非线性动力学机制与控制。首先，建立多尺度多分辨率模拟模型及多分变模型生成的支持环境与解析工具，进行多尺度多分辨率建模与跨尺度联合建模。其次，研究跨尺度突变过程的信息聚融与检索，揭示多源、异构及冗余数据之间的内在关联与层次，建立多时空尺度的数据聚融与数据驱动控制。最后，通过计算模拟和涌现观察，产生和分析复杂系统行为并进行计算实验，克服复杂系统难以进行实验和试验的困难。通过对跨尺度关联及多尺度耦合等非线性动力学与控制研究，力争为我国大规模、复杂、多场耦合的复杂工程与安全领域的控制与管理提供关键理论与技术支撑

当越来越多的复杂系统和现象进入人们的研究视野，并涉及若干科学领域，如数理科学、生命科学、环境科学、信息科学、工程、经济、管理、政治与社会等，传统研究方法往往已不再适用于这类新问题。项目研究针对复杂工程系统的非线性动力学分析与应用，提出了大规模工程系统的尺度及关联分析，建立了人员行为及管理规则模型，对比了复杂网络上的联结影响与动力学演进的机理，进行了复杂工程系统的计算实验。.研究表明，复杂性是事物的本质，表现为以非线性为代表的性质，动力学与控制的目的在于对因果关系的探索，但是当规模与数据激增时，错综复杂的子系统之间的影响将以关联关系呈现。以多尺度数据聚融与尺度关联为基础，应用计算智能、并行计算的方法与技术，既对经典复杂系统的性质与现象进行了基于物理学、动力学的系统探索，又将行为及其运作拓展到复杂系统的成因及关联分析中，合理地解析了复杂系统要素中以自然科学的工程要素与社会科学的行为要素的典型特征，例如，以五重矛盾关系描述的复杂交通系统问题，及以复杂网络连接的行为及其影响与运作等，展现了复杂系统有效解答的前景。 .项目在大规模工程系统的复杂性机理、多尺度建模与分析、基于大样本量的数据驱动与控制方法、复杂网络行为动力学与运作、复杂工程系统的计算实验等五个方面取得了关键的研究成果。对复杂系统的管理与控制、非线性动力学与控制及与此紧密相关的工程、数据、行为、计算及实验等内容进行了整体研究，构建了包含理论分析、算法设计与计算实验的系统性体系。