复杂系统中的传输过程及流量涨落研究

We have successfully completed the first 2 years’ research plan of the present project supported by NSFC, leading to 7 SCI papers, 5 of which are published in prestigious journals with IF greater than 2.0, including 1 PRE (Rapid Communication), 1 New Journal of Physics, 3 J. Stat. Mech., 1 Chin. Phys. B, and 1 Physica A; received about 21 citations. Before the completion of the present project at the end of 2012, 4~5 more SCI papers are expected to be published. Based on the aforesaid achievements, we will do further research about the transport processes in complex systems: 1) explore the mechanism of the flux fluctuation in complex transport systems by means of analytical analysis, simulation and statistical analysis of empirical data; 2) optimize the transport system from the aspects of external driving force, network topology, and routing strategy; 3) discuss the realization of system’s efficiency and self-organized processes based on the evolutionary game dynamics with a view to the adaptability of agents, the hybrid of strategies, the multiple of resources, and so on. Our research is important to the basic issues in statistical physics of the complex transport processes.

项目组顺利完成了青年科学基金项目前两年度的研究计划，相关的研究共发表SCI论文7篇，影响因子2.0以上的文章5篇，被引用21次，包括PRE（快速通讯）一篇、NJP一篇、JSTAT三篇、Chin. Phys. B和Physica A各一篇。根据目前的工作进展，项目结题前还将有4~5篇SCI论文发表。以青年科学基金项目的研究为基础，我们在本项目中将继续研究复杂系统中的传输动力学所满足的统计物理规律，从流量涨落标度行为的理论和应用入手，通过解析分析、数值模拟和对实际数据的统计分析揭示流量涨落的物理机制；根据流量涨落特征从系统外界驱动、网络结构和路由策略三方面提出真实复杂系统传输过程的优化方法；根据真实传输系统中个体的适应性、路由策略和系统资源的多样性等，基于进化博弈动力学研究系统效率、自组织及优化问题，为真实传输系统效率的提高提供理论依据。该项目对复杂传输过程中的统计物理学基础研究具有重要意义。

项目组围绕复杂系统中的传输、流量涨落、相变、鲁棒性等问题开展研究，顺利完成了研究目标。研究成果为理解社会、经济和生态系统等众多真实复杂系统中的非平衡涨落、集体行为和自组织涌现现象提供了理论依据，为相应的优化与控制等实际问题的解决提供了重要启发。.研究主要包括以下两部分内容：.（1）导出了复杂传输系统中流量涨落律（Flux-Fluctuation Law）的重要修正项，发现流量涨落的标度行为主要依赖于外部驱动和由二项分布表示的系统内部随机性，修正后的流量涨落律更具普遍性，能够解释小尺寸和异质复杂系统中的涨落异常行为；在不同边界条件和网络结构下基于流量涨落律分析流量过载极端事件（Extreme Events）的发生概率及控制方法，发现并解释了双层依赖网络上局部流量涨落导致爆发性堵塞相变的现象；分析由流量过载引发的级联失效过程，讨论了随着边容量增加出现的临界相变行为。.（2）鉴于真实系统中承载传输的资源有限，项目组基于少数者博弈研究有限资源配置中的涨落、自组织、系统效率及优化问题；发现一种有别于羊群行为的“介观”层次的集体行为，即多个资源的自发m分组n周期振荡(m>=n)的低效率状态，提出该集体行为的基于平均场近似的理论描述，研究分组状态的分岔、稳定性和寿命等；提出基于网络结构的牵制控制方法来抑制系统涨落，并建立描述控制效果的解析理论。.与本项目相关的研究成果共发表SCI论文25篇，专著章节1部（标注本基金资助20篇），包括Nature Communications 1篇，Phys. Rev. E 4篇，Scientific Reports 11篇，New J. Phys. 3篇，Europhys. Lett. 1篇，Eur. Phys. J. B. 1篇，Chaos 1篇，PloS One 2篇，Knowl.-Based Syst. 1篇等，和InTech出版的专著章节一部。