混沌理论（精选11篇）
混沌理论 篇1
摘要：从线性到非线性, 从有规律到不可预测, 由浅入深地全面分析了单摆的运动情况。又从单摆这个系统出发简单介绍了混沌理论, 包括混沌在中国古代、西方文化、不同学科中都有不同含义, 进而阐明混沌现象实际上是无处不在的。
关键词：单摆,相图,滴水龙头,混沌,非线性,随机性
有时候, 看似简单的问题实际上却很复杂, 一个简单的情况, 当条件发生一定的变化时就变得不可预测, 比如说, 水流在水管中低速流动时, 它的运动是规则的, 可以预测的, 但当流速达到一定临界值时, 水流就变成了湍流, 行为十分混乱。下面以一个简单的物理系统为例来介绍这种情况。
一、一个简单的物理系统 (单摆)
在一根不能伸缩的长度为l的细线下端悬挂一个小球, 微微移动后, 就可以在一竖直面内来回摆动, 如图所示, 这种装置称为单摆。
只要有一定物理常识就知道, 在一定的条件下 (忽略细线质量、空气阻力及系统内的摩擦力, 且摆角θ<5°) , 回复力F=-kx, 单摆振动的回复力跟位移成正比而方向相反, 单摆做简谐振动。
下面应用牛顿运动定律来清楚认识一下这个平面单摆。
单摆受到的重力矩M=-mglsinθ, 我们希望得到摆角θ的关于时间的函数, 来描述单摆运动。由力矩与角加速度的关系不难得到, M=J×β
其中J=ml2是单摆的转动惯量, undefined是角加速度, 于是化简得到运动微分方程:
undefined
当研究小摆角 (通常指θ<5°) 摆动的情况, sinθ≈θ, 则上式变为
undefined
(2) 式是一个二阶线性微分方程, 解为θ=Acos (ωt+φ0) , 其中A称为振幅, φ0称为初相, 频率ω表示振动的快慢, 是由undefined决定的常数, 此时单摆的运动是简单的简谐振动。
二、简单系统中的复杂行为
但是大摆角的情况又是怎样的呢?很显然不会像上面所述的那么简单了, 单摆的运动方程 (1) 式是一个二阶非线性微分方程, 下面就用非线性力学中最基本的研究方法——相图法来研究分析该系统。
“相”的意思是运动状态, 质点在某一时刻的运动状态就是它在该时刻的位置和速度, 位置和速度的关系曲线就是它的相图。相图法是一种图解分析方法, 可用于分析一阶、二阶非线性微分方程的动态过程, 取得稳定性、时间响应等有关的信息。在现代计算机模拟计算下, 可比较迅速与精确地获得相轨迹图形, 用于系统的分析与设计。现在我们以质点的速度和位置作为坐标轴构成直角坐标平面, 称之为相平面;质点的每一个运动状态对应相平面上的一个点, 称之为相点;质点运动发生变化时, 相点就在相平面内运动, 相点的运动轨迹称为相迹线或相图;相点在相平面内运动的速度称为相速度。在相图中能得到质点运动状态的整体概念。
当摆角很大时, 用细线构成的单摆系统有可能无法完成摆动, 可以用轻杆来代替细线完成大角度摆动。
对单摆的运动方程 (1) 式进行积分, 可得到
undefined, 式中C为积分常数。
设初始条件为t=0时, undefined, 可得undefined, 得出
undefined
由 (3) 式作出相图如下图所示。
中心O点对应单摆下垂的平衡位置, 是一个稳定的不动点, 在中心O周围 (θ<5°) , 相图是椭圆, 对于小角度摆动, 把 (2) 式积分得出的也是椭圆方程, 两种情况相符。摆动幅度再增大, 相图不再是椭圆但仍然闭合, 说明单摆仍作周期运动。若能量再高, 相图不再闭合, 表示单摆不再往复摆动, 而是沿正向或反向转动起来了。当θ=θ0=π, 即单摆摆到最高点时, undefined, 说明最高点是一个不稳定平衡点。但是要让单摆摆到最高点时恰好静止是不可能的, 因为两个分支点G1、G2是介于单向旋转和往复旋转之间的一个临界状态, 究竟如何运动取决于初始条件的细微差别。在求解非线性力学问题时, 相图中出现了分支点, 这表明在该状态下力学系统的行为不是完全确定的, 于是, 一个确定性方程演化出了内在的随机性, 一个简单的系统顿时变得复杂起来了。
单摆系统的行为不是完全确定的, 还有很多类似的情况, 比如说滴水龙头。我们来做一个小实验, 很小心地打开水龙头, 等上几秒钟, 待流速稳定下来, 通常会产生一系列规则的水滴, 这些水滴以规则的节律、相同的时间间隔落下。但假如缓缓打开水龙头, 使水流量增大, 并调节水龙头, 使一连串水滴以很不规则的方式滴落, 这种滴落方式似乎是随机的。实验时要均匀地打开水龙头, 别把龙头开大到让水成了不间断的水流, 我们需要的是中速滴流, 如果调节得合适, 就可以在好多分钟内听不出任何明显的模式出现。水龙头滴下的水滴是一个确定性系统, 原则上流入水龙头中的水的流量是平稳、均匀的, 水流出时发生的情况完全由流体运动定律规定。但这个简单而有效的实验证明, 显然这一确定性的系统可以产生不可预言的行为。
在一开始介绍的单摆运动到滴水龙头, 现在大家一下就能看出, 单摆的运动和水滴的花样由稳态变为随机, 这种不可预测的、随机的现象就是混沌。实际上, 混沌现象到处可见, 它揭示了绚丽多彩、千姿百态的大千世界内在的一种机制, 它是那么瞬息万变, 充满复杂性, 确定性系统包含着混沌, 混沌中也存在着特殊的有序。
三、混沌简介
混沌在我国传说中指宇宙形成以前模糊一团的景象, 中国人常用混沌一词表达某种令人神往的美学境界或体道致知的精神状态, 把混沌当做自然界固有的一种秩序, 一种生命的源泉。这与历史上的中国神话、中国哲学有很大关系, 最终与中国人独特的思维方式有很大的关系。
在西方文化中, 混沌是“无形”、“空虚”、“无秩序”。《圣经》英译文常写作“without any order” (无任何秩序) 、“a place of disorder” (无序之所) 、“the state of formless, of utter disorder and confusion” (无形、极端无序和混乱的状态) 、“the condition of emptiness, unreality, and desolation” (空虚、无实在性、荒芜的境况) 、“a meaningless existence” (无意义的存在) 。
现代科学所讲的混沌, 其基本含义可以概括为:聚散有法, 周行而不殆, 回复而不闭。意思是说混沌轨道的运动完全受规律支配, 但相空间中轨道运动不会中止, 在有限空间中永远运动着, 不相交也不闭合。混沌运动表观上是无序的, 产生了类随机性, 也称内在随机性。混沌模型一定程度上更新了传统科学中的周期模型, 用混沌的观点去看原来被视为周期运动的对象, 往往有新的理解。
在非线性科学中, “混沌”这个词的含义和本意相似但又不完全一致, 非线性科学中的混沌现象指的是一种确定的但不可预测的运动状态。它的外在表现和纯粹的随机运动很相似, 即都不可预测。但和随机运动不同的是, 混沌运动在动力学上是确定的, 它的不可预测性是来源于运动的不稳定性。或者说混沌系统对无限小的初值变动和微扰也具有敏感性, 无论多小的扰动在长时间以后, 也会使系统彻底偏离原来的演化方向。混沌现象是自然界中的普遍现象, 天气变化就是一个典型的混沌运动。混沌现象的一个著名表述就是蝴蝶效应, 意思是说:一只蝴蝶今天拍打了一下翅膀, 使大气的状态产生了微小的改变, 但过了一段时间, 这个微小的改变能够使本来会产生的龙卷风避免了, 或者能使本来不会产生的龙卷风产生了。南美洲一只蝴蝶扇一扇翅膀, 就会在佛罗里达引起一场飓风。
混沌也是一种数学现象, 有其自身颇为古怪的几何学意义, 它与被称为奇异吸引子的离奇分形形状相联系。蝴蝶效应表明, 奇异吸引子上的详细运动不可预先确定, 但这并未改变它是吸引子这个事实。
四、混沌的特征
1.系统方程无任何随机因子, 但必须有非线性项。
混沌是决定性动力学系统中出现的一种貌似随机的运动。所谓“决定性”是指描述系统运动状态的方程是确定的, 不包含随机变量。要产生混沌运动, 则确定性方程一定是非线性的。
2.系统的随机行为是其内在特征, 不是外界引起的。
随机性可分为有外界施加的外在随机性和动力学系统本身所固有的内在随机性两种。实际上内在随机并不是一种真正的随机, 它的行为是完全正确的, 只是表现得太复杂, 不可预测, 就像是随机一样, 这种混乱、随机是系统自身的一种内在特征, 或者说系统本身就是这样, “混乱”才正常。
3.对初始条件极端敏感。
内在随机性是通过对初始条件的极端敏感性表现出来的, 初始条件的误差在非线性动态系统中可能会按指数规律增长, “失之毫厘, 谬以千里”。处于混沌状态的系统, 运动轨道将敏感地依赖初始条件, 从两个极其邻近的初值出发的两轨道, 在足够长的时间以后, 必然会呈现出显著的差别来。无论多么精密的测量都存在误差, 我们无法给出真正精确的初始值, 再小的误差经系统各部分之间的非线性相互作用都可能被迅速放大, 初始状态的信息很快消失, 从而表现为行动的不可预测, 这就是混沌运动。
一般地, 如果一个接近实际而没有内在随机性的模型仍然具有貌似随机的行为, 就可以称这个真实物理系统是混沌的。一个随时间确定性变化或具有微弱随机性的变化系统, 称为动力系统, 它的状态可由一个或几个变量数值确定。而一些动力系统中, 两个几乎完全一致的状态经过充分长时间后会变得毫无一致, 恰如从长序列中随机选取的两个状态那样, 这种系统被称为敏感地依赖于初始条件。而对初始条件的敏感的依赖性也可作为混沌的一个定义。
五、混沌无处不在
混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动, 一个确定性理论描述的系统, 其行为却表现为不确定性、不可重复、不可预测, 这就是混沌现象。进一步研究表明, 混沌是非线性动力系统的固有特性, 是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够充分处理的多为线性系统, 而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此, 在现实生活和实际工程技术问题中, 混沌是无处不在的。例如, 一支点燃的香烟冒出的烟在开始时烟柱是直立的, 达到某一高度突然变得紊乱起来;湍流是一种典型的混沌现象;人体的自身免疫被认为是一种混沌行为;生物进化是有反馈的混沌。
混沌也不是独立存在的科学, 它与其他各门科学互相促进、互相依靠, 由此派生出许多交叉学科, 如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。混沌学不仅极具研究价值, 而且有现实应用价值, 能直接或间接创造财富。混沌中蕴涵有序, 有序的过程也可能出现混沌, 大自然就是如此复杂, 纵横交错, 包含着无穷的奥秘。因此, 对混沌科学的进一步研究将使我们对大自然有更深刻的理解。
参考文献
[1]谢东, 王祖源.人文物理[M].北京:清华大学出版社, 2006:331-336.
[2]王荣成, 郝超.大学物理基础[M].苏州:苏州大学出版社, 2005:29-30.
[3]何国兴, 张铮杨.文科物理[M].上海:东华大学出版社, 2003:46-47.
混沌理论 篇2
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混沌理论对学校心理咨询的启示 篇3
关键词 混沌理论;学校心理咨询;敏感性
分类号 B849
混沌理论是诞生于20世纪70年代末的一门旨在探索复杂性的理论，它主要研究非线性系统演化过程的行为特征（李志凯，2007）。混沌理论自20世纪80年代被引入心理学研究后，在心理学的各主要领域受到了广泛的重视，并产生了越来越大的影响（Caple，1985）。在心理咨询的研究和实践中，由于通过混沌描述方式得出的结论更接近复杂的心理图景（何木叶，陈小玲，2007），所以，以混沌思想来指导心理咨询具有积极的意义。
21世纪的在校学生面对的是迅猛变化的世界、快节奏的生活和复杂的社会环境，他们在成长过程中经受着前所未有的心理震荡和冲击，所产生的矛盾、冲突、困惑、迷惘无时不有，无处不在，极易引发心理障碍（孙少柳，孙中民，2006）。学校心理咨询，就是在一种新型的建设性的人际关系中，学校心理工作者运用其专业知识和技能，给学生以合乎其需要的协助与服务，帮助学生正确地了解自己、认识环境，根据自身条件确立有益于个人发展和社会进步的生活目标，使其能够克服成长中的障碍，处理好学习、人际关系等，并充分发挥自身潜能（刘华山，2005）。本文试图基于混沌理论对在校学生心理咨询观进行探索，为在校学生心理咨询的实践提供一点借鉴。
1 关于混沌理论
1.1 混沌的定义
所谓混沌，是系统中尤其是非线性系统中表现出的一种非常复杂的、无法根据给定的初始条件确定将来状态的类似随机的行为，是指在确定性系统中出现的类似随机的现象的过程，是一种貌似无规则的运动。这里的确定性系统，是指其结构相对稳定，且各要素或子系统之间具有明确的内在关系，对于一个给定的初始值或初始状态，该系统都给出一个确定的值或过程。也就是说，系统的长期动力学行为从理论上可以预测。但非线性则表现出不可预测性，可能出现大的原因小的结果，正如大的雷声小的雨点，或者小的原因大的结果，即系统对初始值的依赖性相当“敏感”。
1.2 混沌理论的特征
混沌理论虽然是一种年轻的学说，但其研究成果已揭示出混沌现象的一些基本特征。（1）对初始条件的敏感性。这是混沌系统的典型特征，即著名的“蝴蝶效应”。混沌系统对初始条件非常敏感，初始条件的轻微变化都可能导致不成比例的巨大后果。（2）耗散结构。在此结构中，存在着许多不同的次系统，其本身也是非稳定的系统。此种不稳定的状态达到临界点或是分歧点时，系统内部的平衡便造成断裂，从而导致长期的混沌状态，趋向于另一新的、更高层次的耗散结构（郝柏林，1984）。（3）吸引子。吸引子是一个系统行为的归宿。在系统中主要有三种吸引子：不动点吸引子，它的作用是约束系统到一个静止的稳定态;有限极限环吸引子，是指重复和循环;奇怪吸引子，通过诱发系统向不规则发展，使系统产生复杂、丰富、多变、不确定性（杨小微，2005）。
2 混沌理论对心理问题的诠释
按照传统的观点，正常人的心理应该是有序的。在此前提下，无论是何种咨询方法一般都持有以下观点：（1）接受心理咨询的病人，其心理是无序的;（2）无序是痛苦的并具有潜在的危险性;（3）心理咨询就是要找到无序的原因并解除病人无序的症状，以恢复他们的有序状态。可是从美国精神医学会出版的《精神疾病的诊断与统计手册》（DSM-Ⅳ）对200多种无序（归入17大类）的分析来看，其中相当多的无序其实并非真正的无序，即心理咨询中所面对的无序并不是心理的杂乱无章或彻底的混乱，而是处于不平衡状态的个体经历的一个非线性程度比较高、具有很大随机性和不稳定性的阶段。比如，焦虑障碍、心因性障碍、心境障碍、反社会型人格障碍等，都可以看作是偏离常态的混沌行为，而不是严格意义上的无序（乐国安，管健，2005）。混沌理论则吻合了这一点。混沌理论认为，心理系统的非线性过程所表现出的跳跃和突变一般是发生在一个人的心理状态处于非平衡尤其是远离平衡状态之时，这时的个体心理可以看作一种“混沌”状态。恰恰是在这种混沌之中，在有序与无序的边缘地带，个体适应新环境并得以发展。混沌是任何一个复杂系统进化过程必须经历的阶段，是个体由一个相对简单的状态向一个更复杂状态演化的中介环节或必经之路。在心理病理学中，混沌阶段所表示的就是个体心理演化中的一个突变阶段。因此，混沌意义上的“无序”可能并非一种病态。一个处于混沌状态的人，他的整体活动也许只是被当前面临的挑战所困扰，他可能只是对自己的遭遇感到困窘、焦虑、有强烈的耻辱感甚至犯罪感，但这样的人严格来讲并不能被看作一个病人。比如，焦虑障碍就是个体在感到无力应付来自环境的威胁时所产生的紧张、不安、忧虑、烦恼和惧怕，这样的个体缺乏的是对变化了的环境和自我的适应。
3 混沌理论对学校心理咨询的启示
3.1 心理咨询的目的：促进来访者的自我适应
正如前面所提到的，混沌理论认为人的心理在某种程度上是一个自组织系统，每个机体都在主动决定是否接受外在信息，从而具有自我调节、自我完善的功能（郑日昌，2000）。因此，一个成功的心理咨询师并不是让来访者恢复常态或重返有序，而是帮助他们感悟和体验，实现与变化了的环境的协调。许多学生来访者希望咨询师能够帮助他们从一系列冲突中做出选择，给他们提供具有可操作性的建议，从而减少对未来的不确定感。在这一过程中，如果咨询师希望成为来访者的指导，就会给他过分的劝导、保证和关心。这样的话虽然可能减轻来访者的痛苦，但却有“授人以鱼”的不足。来访者的问题表面得到了解决，但来访者主动面对困难的意志力和自我调节的能力没有培养起来。
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对于学生而言，由于所处的独特的社会层次及具有较高的文化素质，他们对事物有着一定的感悟能力。因此，咨询师应该充分利用混沌促进来访者加强对自身问题的自我觉察和理解，并由此激发起来访者改变的动机，在体验和感悟中完成认知结构的重组，而不是包办代替。咨询师在这一阶段的任务就是告诉来访者，准备忍受可能出现的混乱，并对将要经历的一个不知会发生什么状况的时期有思想准备，在混沌中成长。所以，在很大程度上咨询师应相信学生具有一定的领悟能力，充当中立者和促进者，协助来访者直面问题，实现个体的自适应。
3.2 心理咨询的突破口：敏感性
来访者的心理问题可能出于对微小事件的过于敏感。混沌理论指出参量的微小变化往往导致运动形式质的变化，出现与外界刺激有本质区别的行为。学生情感丰富而深刻，内心情感体验十分细腻微妙，是极其敏感的群体。一个不起眼的原因也可能会引发一系列的障碍。比如无心的话语、偶然的打击、一时的矛盾都可能影响他们的情绪，而一种很小的情绪也会导致潜在性的心理问题。另外，影响心理发展的多种变量之间并非加减关系，而是交叠的演变过程。复杂的表象背后也许只有一个简单的起源;简单的结果前面也许隐藏着复杂的原因。纷繁复杂的心理问题可能仅仅是在一个偶然的时间点，来访者对于某些小事件过于敏感而产生的蝴蝶效应。
因此，在学校心理咨询中，寻找其心理问题的敏感性起因是一条重要的途径。咨询师应提高对来访者问题的敏感性。混沌理论的这种对初始值敏感性，向传统的心理预测技术过分依赖理性模式提出了挑战。在许多心理咨询与治疗中，咨询师则总想根据以往的经验，一般的规律公式，一劳永逸地甄别问题，通过数量分析的理性开出我们心理咨询与治疗的妙方（陈光磊，黄济民，2006）。咨询师往往关注于来访者经验中的关键事件，力图通过线性的前导事件推出结果行为，而没有将注意力集中在来访者汇报的感觉和看似不经意的细节上。事实上，来访者的混沌态是一个警报系统，告诉我们没有看到蕴藏在复杂中的简单实质，或者我们遗漏了蕴藏在简单中的细微浪花（约翰·布里格斯，F·戴维·皮特，2001）。
咨询师应不停地自问：显而易见的症状究竟是某一特殊情形内在固有的，还是人为投射的？来访者的感觉也许恰恰正是咨询的一个突破口。过于强调所谓的“关键事件”可能会漏掉敏感的细节信息，失去咨询的有用资源。对这一问题的思考可能会以始料未及的方式摆脱咨询的误区。因此，提高咨询的敏感性，运用敏感性分析方法，即通过分析，找出某些不确定因素是如何影响既定目标的实现以及影响的程度显得尤为重要。
3.3 心理咨询的过程
3.3.1 明确咨询目的，引导感悟
按照混沌理论的观点，心理咨询的目的不是让患者恢复常态或重返有序，而是帮助他们解决冲突，实现与变化了的环境的协调，并达到一个新的平衡状态，也就是说，应该帮助个体形成良好的对待环境或自我变化的适应性，发展他们自我生长的调节机制。在咨询过程中，许多病人存在着抵制变化的自我保护功能，这种自我保护功能可能很早就开始，并保持于医患关系的始终。在严重的“无序”状态下，病人大都被束缚于旧的处理事物的模式之中，尤其是当他面临的挑战涉及其核心价值倾向的时候，个体对变化的抵制将达到最大。因此，如果我们用混沌理论的观点来看待心理咨询，那么一个成功的心理咨询意味着患者释放情感和挣脱原有模式的束缚，能够学习新的行为方式或思维方式，并能解决旧的冲突。
3.3.2 等待最佳的干预的时机
从非线性科学的观点看，处于非平衡状态下的无序混沌是个体心理状态变化的临界点，个体的混沌状态正是导致更高阶段有序结构出现的动力学基础。因此，如果在心理咨询和治疗中简单地采取干预策略以消除心理的无组织状态，将存在着相当大的危险性。因为心理的无组织状态可能恰恰是重组织所必须的。如果过早或不恰当地试图简单地恢复有序，只能使处于混沌中的个体倒退到旧的行为模式中去。因此，在心理咨询中要学会等待，必要的等待可以为来访者提供一定的思考空间，有助于其自我反思与更加客观地看待事物，能够起到事半功倍的疗效。倘若简单地采取干预策略以消除心理的无组织状态，将存在相当大的隐患。学生虽然有一定的领悟能力，然而，由于生活阅历浅，和外界有一定距离，社会实践能力不强，他们在谈论、评价、思考问题时，往往带有主观幻想的色彩，不能切合实际，对事物认识有一定片面性和幼稚性。冒然地干预可能使其对事物的看法由主观片面走向固执己见的偏激极端。过早和不恰当的干预要么引发更多的冲突，阻碍咨询的进程;要么出现表面的恢复，增加心理问题复现的频率，欲速而不达。因此，在心理咨询中要有足够的耐心，注重必要的等待。
3.3.3 正确对待咨询结果
人们往往对咨询师寄予的希望是在很短的时间就要解决所有的心理问题。一旦出现与自身期望值不同时，就容易对咨询师产生失望和不信任。相应地，心理咨询师也希望尽可能快和尽可能完全地消除来访者的问题。但人的心理是复杂的，在复杂性系统中由于奇怪吸引子的作用，产生多变和不确定性。在心理演化的过程中存在可供选择的不同道路，存在不同的分岔，从而导致心理可能朝不同的方向转化。在心理咨询的过程中，我们可能发现某种问题已经得到解决，但又出现了新的问题。由于有限极限环吸引子的作用，使得系统做周期性的运动，产生现象的重复和循环。咨询结束后，问题还有可能重复出现。因此，在咨询中我们要让来访者正确认识到：新问题的产生和一定范围内的问题复现是咨询中的正常现象，是由个体心理演化规律所决定的。心理咨询的目的不是让患者恢复常态或重返有序，而是帮助他们解决冲突，实现与变化了的环境的协调。
综上所述，将混沌理论应用于学校心理咨询，为学校心理咨询提供了一个新的视角。在咨询的过程中，咨询师要抓住“从简单到复杂、从混沌到有序”的心理演变规律;抓住来访者对初始值的敏感依赖性，引导他们感悟和体验，找出那些不确定因素是如何影响他们的及影响程度如何，才能使他们能够自我实现与变化了的环境的协调，并达到一个新的平衡状态，即咨询师应该帮助个体形成良好的对待环境或自我变化的适应性，发展他们自我生长的调节
机制。
参考文献
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探讨基于混沌理论的通信保密方案 篇4
关键词：混沌同步,序列密码,信息隐藏,数据置乱
0 引言
信息时代对于信息安全至关重要。保密通信技术，特别是密码技术，关系到国家利益及在未来信息战中一个国家的竞争力，必将在人们的生活，尤其是军事及国家安全和通信对抗中扮演重要角色。混沌被称为20世纪物理学三大革命之一，混沌现象是非线性动力系统中一种确定、类随机的过程。由于混沌动力系统对初始条件的极端敏感性，并能产生大量的非周期、似噪声、类随机且确定可以再生的混沌序列，对信息加密的安全性更高，因而在网络通信安全中特别适用。文章围绕密码技术、混沌同步理论、信息隐藏等领域进行了广泛深入的探究。
1 密码学理论
密码学(Cryptlogy)包含两个互相对立的分支，即密码编码学和密码分析学，前者寻求保证信息保密性或真实性的方法，而后者则研究加密消息的破译或者消息的伪造。目前常用的信息加密算法主要分为对称分组加密、非对称分组加密和序列密码加密三类。对称分组加密，其特点是发送端和接收端使用相同的密钥，对信息进行分组加密，算法是公开的，其保密性取决于密钥的长度和保密，典型代表为DES，其模型如图一所示。
它由下述几个部分组成:明文消息空间M、密文消息空间C、密钥空间K1和K2,在单钥体制下K1=K2=K,此时密钥K需经安全的密钥信道由发方传给收方。加密变换Ek1E,M==>C,其中k1IK1,由加密器完成;解密变换Dk2ID,CyM,其中k2IK2,由解密器实现，并称总体(M,C,K1,K2,Ek1,Dk2)为一保密系统。对于给定明文消息m IM,密钥k1IK1,加密变换把明文m变换为密文c,即c=f(m,k1)=Ek1(m);接收端利用通过安全的密钥信道传过来的k(单钥体制下)或用本地密钥发生器产生的解密密钥k2IK2(双钥体制下)控制解密操作D,对收到的密文进行变换得到恢复的明文消息m,即m=g(c,k2)=Dk2(c);而密码分析者,则用其选定的破译变换函数h,对截获的密文c进行变换,得到明文空间的某个元素mc,即mc=h(c)。一般mcXm,若mc=m,则密码被破译成功。
非对称分组加密的原理是在发送端使用公钥(Public Key)对信息加密，而接收端用私钥(Private Key)解密，公钥是公开的，私钥是保密的，且很难从一个推出另一个。这种方法保密性依赖于对大素数分解的难度，典型代表是RSA。保密系统如图二所示(图中省略了密钥源)。
双钥体制下若用户A要向用户B发送机密消息m,则A需到公钥本上查到用户B的公开钥kB1,用它对m作变换得c=EkB1(m)。用户B收到c后,用自己的秘密钥KB2对c解密，m=DkB2(C)=DkB2(EkB1(m))。因为kB2只有用户B知道,而密码分析者只能以kc对c解密，所以保密通信得到实现。双钥体制下,还可以构造一个认证系统，如图三所示。
用户B使用用户A的公开钥A1对用户A用他的秘密钥A2数字签名的密文c作变换,可得到m,即m=EkA1(c)=E-k A1(DkA2(m))。若用户B使用用户A1的对公钥对伪造的cc作EkA1变换,则不能得到有意义的m,故可认证c确为用户A所发。
序列密码又称密钥流密码，其原理是将明文看成连续的比特流，通过有限状态随机产生性能良好的伪随机序列，即密钥流，并使用该密钥流对明文信息流进行逐比特加密，从而得到密文序列。使用序列密码加密时不受明文长度限制，可以加密任何长度的文件，比较灵活。与前两种加密方法相比，加密速度最快。图四是序列加密系统的简单结构图。
除了以上介绍的几种典型的加密算法模型外，目前比较前沿的加密理论有量子密码理论、混沌密码理论、椭圆曲线密码理论等。
2 混沌理论
2.1 概序
混沌是非线性确定系统中的一种复杂的随机的现象,在文献中首先使用混沌(chaos)一词的是李天岩和约克(J.A Yorke),他们的“周期3蕴涵混沌0一文被大量引用”。目前，混沌尚无统一严格的定义。对一阶系统,数学家Kloeden在Li-Yorke定理的基础上给出了混沌的一个定义：令f(x)为区间I到自身的连续映射,若满足条件:(1)f(x)的周期点的周期无上界;(2)存在I的不可数子集S,满足a)对于任何x,yIS,当xXy时,有limny]sup|fn(x)-fn(y)|>0;b)对于任何x,yIS,有limny]iuf|fn(x)-fn(y)|=0，则称f(x)描述的系统为混沌系统。此定义说明从两个初始点引出的两条轨道时而无限靠近，时而相互远离,两种情形无数次交替出现,这说明系统的长期行为没有规则,是一种随机现象。
混沌系统的特点:混沌系统是随机的、偶然的、无序的,但都是确定的;一个混沌系统在满足某种条件下,可以构成一个同步系统;混沌系统对初始条件极为敏感,两个几乎相同的混沌系统,其初态稍异就会迅速变成完全不同的状态;混沌系统的行为是许多有序行为的集合,而每个有序分量在正常条件下，都不起主导作用。
2.2 混沌同步
混沌同步的概念首先由Pecora于1990年提出，其思想是为一个混沌系统施加一个适当的小扰动，就可以将它稳定在另一混沌系统的轨道上。例如有两个混沌系统A和B，分别由下式描述：x=f(x),y=G(y)。通过给A施加一个负反馈控制信号F(t)=k[x(t)-y(t)],很容易做到A和B同步。达到同步时，控制信号F(t)趋近于0。混沌系统具有对初始条件的敏感依赖性，所以对它的长期行为进行预测过去被认为几乎是不可能的。混沌同步的意义在于使不可预测的混沌变成一种可预测的混沌。如将上述混沌系统B换为一段被记录下来的混沌A的输出信号，经过一段时间后，系统A当前的行为就和它被记录下来的过去行为进行同步。这样，在任意长时间的情况下都可以对系统行为进行可靠的预测。
混沌同步即一个系统的轨道将收敛于另一系统轨道的同一值，它们之间始终保持步调一致，且这种同步是步调稳定的。
混沌同步的方法有变量反馈同步控制法、驱动响应同步控制法、主动被动同步法和自适应同步控制法等。由于驱动响应是所有其它同步方法的基础，能帮助人们很快掌握混沌同步原理、方法和混沌同步判据，在此作一简单介绍。
驱动系统为：X=F(t,X)。
式中，X={x1(t),x2(t),…，xn(t)}T;
设以x1为驱动变量时，则响应系统为：X’=F(t,X’)
3 结束语
文章基于混沌序列密码技术对信息加密，同时用混沌同步进行通信，结合置乱算法与嵌入算法，提出了一种基于混沌同步的数据通信模型。
参考文献
[1]浦晨岚.基于混沌理论和语音识别技术的语音保密通信系统研究[D].南京工业大学,2005.
混沌理论 篇5
【关键词】混沌；混沌理论；电子政务
一、混沌理论
混沌理论肇始于20世纪70年代，由著名气象学家爱德华·洛伦兹首次提出，成为与量子力学、相对论比肩的三大科学革命之一。混沌理论最初是一个物理学的概念，混沌理论中的“混沌”一词，在传统意义上，它是指“混乱、紊乱、无序和没有规律性的事物和现象”。但是“混沌”作为一个科学概念，它又不同于其传统意义的内容。爱德华·洛伦兹认为：混沌这个术语是用来指代这样一种过程，“它们看似是随机发生的而实际上其行为却由精确的法则决定”。时至今日，混沌理论的基本体系日益走向完善，其研究和应用不仅开创了自然科学的新范式，而且其影响已经延伸到生态学、经济学、管理学等众多的社会科学领域之中。作为研究复杂的非线性动态机制的混沌理论把偶然性、非线性、非平衡性、不稳定性带进了公共管理的视野。在公共管理领域，我们对混沌理论的理解着眼于以下几点：“一是对初始条件的敏感依赖性；二是临界水平，这里是非线性事件的发生点；三是分形维，它表明有序和无序的统一。”混沌理论不仅大大扩展了人们的视野，并使人们加深了对客观世界的认识：现实世界就是必然性与偶然性，确定性与随机性，有序与无序的辩证统一。目前将混沌理论与电子政务联系的研究成果还不多见，而应用混沌理论分析电子政务系统的特性，研究电子政务发展模式及其过程的管理，对发展电子政务具有重要的学术及实际指导意义，混沌理论为深入研究现代电子政务的不稳定性和复杂性提供新的理论手段和理论范式。
二、电子政务的若干混沌特性
作为一个非线性系统，通过对其的分析研究可以看出，电子政务具有以下一些混沌特性：
（一）电子政务具有混沌系统的耗散性
混沌系统是一个开放的系统，混沌系统内部的各组成部分分别进行着信息、能量及物质的交换与整合，同时混沌系统与外界也进行着类似的交换整合活动。电子政务包括三个组成部分：一是政府部门内部的电子化和网络化办公；二是政府部门之间通过计算机网络进行信息共享和实时通信；三是政府部门通过网络与公众进行双向信息交流。除此之外，电子政务系统本身就处于社会、经济的大系统之中，具有典型的耗散结构特征。由此可见，电子政务系统是一个既在内部进行交换，又与周围环境也有交换的动态的开放系统。该系统在不断地“耗散”从外界输入的数据的同时，通过系统内部各种不同的转换机制，再向用户输出信息。电子政务系统的这种耗散性使得系统在保持开放性、独立性和灵活性的同时，又能产生系统在整体上的稳定性。
（二）电子政务具有混沌系统的非线性复杂性
混沌系统不仅仅是各个组成部分的简单相加，而是在保留其各个部分的性质和功能的基础上，从而形成的整个系统新的性质和功能，也就是说混沌系统具有其组成部分所不具备的新的性质和功能。电子政务系统具有非线性，系统中几乎每个环节都是非线性的关系。从服务对象来看，电子政务的四个主体：政府、企业、公务员和公民这四者之间的相互作用也表现为非线性的特点，一方面在服务方面，不同的服务差异可能会导致对最终服务的接受者公众产生巨大影响；另一方面，对政府业务流程的改革并不能产生一定明显的效果。而且政府部门同时是以多种身份来参与电子政务的建设的，政府部门承当了用户和管理者双重角色，一方面它既是所有公共服务资源的使用者，又是这些公共服务资源的组织者。其它主体则充当着主动提供服务者、被动接受者、信息反馈者等角色，这使得主体之间的关系更加倾向于一种复杂的、非线性的关系。这些非线性关系的存在也正是电子政务系统无法用单一数据关系表示的根本所在，如何解决各个环节中的非线性问题，也是电子政务系统管理的重要方面内容。
（三）电子政务具有混沌系统的分形性
混沌系统是一个自相似的结构，在非线性、非平衡的过程中的混沌会产生一种吸引子，系统的状态在吸引区向奇异吸引子汇聚，从而确保了它在整体上的稳定性和收敛性。这使得电子政务系统可在形态、功能等方面同时具有自相似性，也可使系统仅在某一方面具有自相似性；混沌系统的分形性同时提高了整体与部分之间多层次、多视角、多维度的相关联的方式。比如，一个国家的电子政务系统中包含若干“自相似”的子系统，即从中央到地方逐级扩展开来的国家电子政务、省级电子政务、市级电子政务、县级电子政务。在我国，国家级电子政务有中国电子政务网、中华人民共和国中央人民政府门户网站；省级电子政务包括23个省、4个直辖市、5个自治区、2个特别行政区的电子政务；市级电子政务包括282个地级市和374个县级市的政府网站。纵观不同区域的电子政务，虽然其层次性表现的都很明显，但是不同层次的电子政务系统仍然具有相似的功能和结构，具有分形性的特点。
（四）电子政务具有混沌系统的初值敏感性
从混沌学的观点来看，电子政务系统属于混沌系统，因为它具有混沌系统的一个重要特征：对初值的敏感依赖性。混沌理论认为，混沌系统的长期行为和结果，会敏感地依赖于初始条件，其长期行为是不可预测的。初始条件十分细微的变化经过不断地放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别；相同的初始条件，得到的结果却完全不同。美国著名气象学家洛伦兹提出的“蝴蝶效应”就是这个特征的形象比喻，他在华盛顿的美国科学促进会的一次讲演中提出：“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国德克萨斯州的一场龙卷风”，中国古代的“失之毫厘，谬以千里”也就是指这个意思。这种“蝴蝶效应”在现代电子政务建设中是屡见不鲜的，比如电子政务系统的结构、运行及控制方式都没有大的改变，而一个微不足道的数据失误就可能会导致政府信用危机。因此，电子政务的初值敏感性就要求我们不能忽略细小变化给复杂系统可能带来的巨大影响。
三、混沌理论下的电子政务建设
混沌理论告诉我们，客观事物是永远运动变化的，客观环境也是永远不相同的；面对事物环境的不确定性和复杂性，必然有其深层次秩序在指挥和引导这一复杂系统的发展方向。因此，我们运用混沌理论探索电子政务发展模式，就是要在电子政府建设的过程中坚持：以变应变，同时在变化中把握秩序。不管是从全国电子政务系统的宏观层面还是到每一层、每一部门的微观层面都要遵循这一原则。
（一）规范、统一各地区电子政务建设行为
电子政务具有混沌系统的分形性，一个国家的电子政务系统中包含若干“自相似”的子系统，具有相似的功能和结构，而且它们都在向一个“吸引子”汇聚，这个吸引子就是“阳光行政，保障公民的知情权”。因此我们应该在尊重各种子系统差异性的基础上，创建一些统一的原则性的规范：既要为各级政府配置合理的行政权力，也需要中央将电子政务作为一个整体共同建设。一方面，各地方政府要结合该地方的具体情况及发展要求，开展适合本地区的电子政务活动，满足本地人民群众的要求；另一方面，中央在赋予地方相应行政权力的同时，也要在尊重各地区管理模式的基础上从整体上把握方向，从不同地区的电子政务发展模式中找到共同点，制定相应的政策法规，通过有效的管理，保证中央政府宏观调控的权威性。与此同时，中央和地方政府在电子政务建设中还要做好利益的相协调工作，加强中央与地方之间的信息交流。在中央和政府关系协调的基础上，建立全方位信息共享平台，不仅要建立各个地区、各个部门共享系统，还要对涉及到整体利益的信息、应该共享的信息都要做到及时共享，防止“条块分割”、各自为政的现象。另外，要注意电子政务标准体系的建设，即总体标准、应用标准、应用支撑标准、信息安全标准、网络基础设施标准和管理标准等。
（二）创造复杂性，加强民众参与
混论理论强调组织的复杂性、随机性、不确定性的这些特征，电子政务系统都具有。混沌理论的的非线性观告诉我们，将电子政务建设去简单化和明确化，这不仅不可能促进电子政务的发展，而且会产生负面的结果。因此混沌理论要求电子政务建设的转变，由单一管理变为多元管理，不确定性取代确定性，增加其复杂性，要求其必须放松规制，公开电子政务内容，加强行政决策的民主性，允许和鼓励更多的民众参与到电子政务建设中来。
（三）重视组织的学习能力，努力打造学习型组织
学习型组织是当今公共管理界的时髦话题，混沌理论强调的是组织和个人学习能力的开发，以加强对变动组织和环境的适应性。虽然不确定性是不可避免的，但是我们应该以积极的态度面对复杂的环境，通过建立学习型组织，不断产生创造性的能量，通过不断的学习，加强内部的交流与沟通，提高管理的水平，通过发挥人员的主动性、创造性和积极性，来打破既有的结构、规范和程序，在面对偶然的事件中能创新处理措施和办法，从而推进电子政务的变革与发展。
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混沌理论在数据加密中的应用 篇6
随着网络的普及应用,多媒体数据应用变得越来越广泛,如:多媒体邮件、视频点播、视频会议等等。当图像或者视频通过网络传输时,为了防止攻击者途中对传输的数据信息的窃取破坏,对图像或者视频内容的有效加密和保护非常重要。这样,在数据的传递过程中就必然要对数据进行安全的加密防护措施。在过去的文献研究中,提到了很多的数据加密方法,如对称加密DES和IDEA等。对称加密算法是应用较早的加密算法,在对称加密算法中,数据发信方将明文(原始数据)和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后,使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后,若想解读原文,则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密,才能使其恢复成可读明文。非对称加密算法(RSA),非对称加密算法需要两个密钥:公开密钥(public key)和私有密钥(private key)。公开密钥与私有密钥是一对,如果用公开密钥对数据进行加密,只有用对应的私有密钥才能解密,如果用私有密钥对数据进行加密,那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥,所以这种算法叫作非对称加密算法。
在密码学领域,混沌现象的神奇特征也引起了密码学研究者的极大兴趣。由于混沌系统具有对初始条件和系统参数的极端敏感性,以及混沌序列长期演化结果的不可预测性,这些特性使得混沌系统极具密码学价值,非常适合用于序列信息加密,并且把混沌系统应用于加密能够简化加密过程。实际应用中混沌密码系统被用来对音频、视频等多媒体数据进行保密传送,因此,本文选择对混沌加密方法进行研究。
加密最基本的概念:原始消息称为明文,而加密后的消息称为密文,如图1所示。从明文到密文的变换过程称为加密,而从密文到明文的变化过程则称为解密。本文主要研究的就是对明文进行加密时所采用的一组规则也就是加密算法。所有加密算法都基于两个原理:代换和置换,代换是将明文中的每个元素映射成另一个元素,置换是将明文中的元素重新排列[1]。
混沌是一种貌似无规则的运动,指在确定系统中抽象的类似随机过程。混沌系统都具有如下的基本特性:确定性、有界性、对初始条件的敏感性、拓扑传递性和混合性、宽带性、快速衰减的自相关性、长期不可预测性和伪随机性[2],正是因为混沌系统所具有的这些基本特性,恰好才能够满足保密通信及密码学的基本要求。并且,混沌序列是由确定的方程产生的,这就可以保证通信双方在收发过程或加密过程中的可靠性;而混沌序列的长期不可预测性是混沌保密通信安全性的根本保障。
混沌加密大致分两个大的研究方向:
(1) 以混沌同步技术为核心的混沌保密通信系统,主要基于模拟牛顿电路系统。
(2) 利用混沌系统构造的流密码和分组密码,主要基于计算机有限精度下实现的数字化混沌系统。
混沌密码学分别在物理学,电子工程和密码学等多个领域里,越来越多的加密方案被提出,混沌加密开始应用在保密通信,图像/视频加密和数字水印等领域。在密码学领域常说混沌加密的就属于第二个研究方向,本文主要介绍这种数字化混沌系统,也就是混沌序列密码,系统的保密性不依赖于加密体制或者算法的保密,而依赖于密钥[3]。
混沌密码是一种新型的、并不成熟的但又具有强大吸引力的密码体制,它能够在一个新的高度为敏感数据提供安全保护,特别让人们感兴趣的是:在理论上讲,混沌密码所提供的安全强度是与计算能力无关的,也就是说,混沌密码的安全性并不受到计算机能力提高的威胁。这就较如今的DES,RSA等密码体制有着天生的优越性,具有更为广阔的前景和研究价值[4]。
1 混沌序列密码的加密原理
众所周之,加密的一般过程是将明文的信息序列变换成可逆的类随机序列。解密过程是对数学变换逆变换的猜测处理过程,将得到的类随机序列还原为明文。而混沌加密主要是利用由混沌系统迭代产生的序列,作为加密变换的一个因子序列,混沌加密的理论依据是混沌的自相似性,使得局部选取的混沌密钥集,在分布形态上都与整体相似。混沌系统对初始状态高度的敏感性,复杂的动力学行为,分布上不符合概率统计学原理,是一种拟随机的序列,其结构复杂,可以提供具有良好的随机性、相关性和复杂性的拟随机序列,使混沌系统难以重构、分析和预测。
2 混沌序列的生成
文献[5]提出了混沌序列密码流的生成构造方案。图2中LFSR1和LFSR2是两个移位器生成两个移位密钥,分别与C1和C2混沌流生成的混沌序列进行异或运算生成S
3 基于混沌的加密算法设计
加密算法设计的着眼点是利用混沌序列作为密钥,加密前的信息可视为明文信息,它由原始明文信息(6位)、校验码(4位)、混沌序列(10位)组。其中校验码由原始明文信息和混沌序列运算得到,混沌序列起不到保证密文满足非重要性要求的作用,加密过程为:从原始明文信息和校验码的信息集合P中,取出一个字节byte1,再从混沌序列Q中取出一个字节byte2,两者做异或运算,用新生成的一字节码byte3替换byte1,接着对第二个字节做类似运算,直到存储P的5个有效字节全部运算完为止;至此,信息P已被混沌序列初步加密,形成中间结果M=P′+Q,然后利用5字节密钥K用类似的异或运算对M进行最后加密,形成密文。解密过程是加密过程的逆运算,其过程为:将密文C和密钥K进行异或运算,求得M,从M中分离出P′和Q将两者做异或运算,即球的原始明文信息和校验码[6]。
4 混沌加密在现实生活中的应用
加密算法的应用范围非常广,如平时发送接收的图片、文字信息;如一些国家机密文件、军事文档等等。
下面分析视频信息在传输过程中的接密过程及其原理[7]。
4.1 视频捕捉
使用摄像头捕获视频,将数字视频信息捕获到AVI文件。在进行视频信息的捕获之前需要有一个捕获窗口,可以通过capCreateCaptureWindow()函数来创建,该函数返回表示其创建窗口的句柄。捕获过程中,采用多线程技术实现实时捕捉,并以预览模式对输入的视频流实时显示。
4.2 视频加密模块
加密过程描述:
(1) 打开捕获到的AVI视频文件。
(2) 使用AVIStreamReadFormat()函数获得文件的格式信息。
(3) 出事换参数,由混沌系统生成密钥流。
(4) 先用AVIStreamStart()函数和AVIStreamEnd()函数确定视频流大小,然后使用AVIStreamRead()函数逐帧读取明文数据P。
(5) 混沌系统生成的密钥流K月明文P进行异或操作:C=P XOR K,获得密文C。
(6) 用AVIStreamStart()函数和AVIStreamEnd()函数确定视频流大小,再使用AVIStreamWrite()函数写密文C到新的AVI文件。
5 结束语
从密码学的角度出发,介绍了数据加密的方法,混沌加密的原理以及混沌流序列的生成过程以及混沌加密在现实生活中的应用。混沌加密是一个复杂而又及其实用的数据安全传输技术,有待以后的进一步研究及实践证实。
摘要：在数字化的今天,随着因特网的普及,数据的安全传输问题也越来越受到关注。阐述了数据加密原理以及一种新兴的数据加密技术,即基于混沌理论的数据加密算法。详细介绍了混沌流的生成过程以及混沌密码序列的生成以及其在数据安全传输中的应用。
关键词：混沌理论,加密技术,网络安全
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混沌理论 篇7
至今为止, 混沌理论已被广泛应用于众多的学科之中, 其中在信息处理领域的应用是信息处理发展的主要方向之一。Duffing振子系统对微弱周期信号有极强的敏感性, 而且对噪声具有很强免疫性, 因此人们常利用Duffing振子这个特点来检测微弱信号[2]~[4]。Duffing振子系统检测微弱信号的核心是判断系统相轨迹状态的变化;多年来, 学者已提出了很多判断相轨迹变化的方法, 但是其中最常用, 最直观, 同时也是应用最为广泛的就是视图法, 也就是通过观察系统的相轨迹判断其的变化。淹没在噪声中的被测微弱信号被Duffing振子系统检测, 将被测信号作为混沌系统周期策动力的摄动, 由于混沌系统对噪声的免疫力和对周期小信号的敏感性[5], 即使被测信号的幅值非常之小, 只要输入Duffing系统之中, 系统的相轨迹状态都会发生巨大的相变, 通过模式识别或取包络识别等方法判断系统状态的变换, 从而可判定被信号是否存在, 若需要检测更多的被测信号更多的参数只需作进一步处理即可。
本文将混沌理论中的Duffing振子检测信号的方法引入到井下信号处理之中, 将良好的抗噪性能的Duffing系统在检测法用于对瓦斯浓度信号的检测当中, 井下瓦斯信号的强的背景噪声能得到有效抑制[6], 从而提取目标被测信号。本文详细研究了Duffing混沌系统检测信号的原理, 并把其应用于井下瓦斯信号的检测之中。最后, 进行了数值仿真, 仿真验证了基于混沌理论的微弱信号检测法在复杂的井下环境的瓦斯信号检测中依然有效[7]。
1、混沌理论的检测技术
混沌检测系统中, 应用最多最为广泛的混沌振子是Holmes型Duffing振子, 其数学模型如下:
(1) 式可转化为:
式 (1) 与 (2) 方程描述的系统对微弱周期信号的检测时有极强的敏感性, 而却噪声具有免疫性, 这是Duffing系统检测微弱信号的基础。
固定k, 增大r, 系统依次历经状态:当x较小时, 相轨迹表现为庞加莱映射意义下的吸引子;当r超过rc时, 系统便从同宿轨道状态进入分叉状态;r继续增大, 系统逐渐进入混沌状态 (如图1) ;直到r大于阈值rd时, 系统摆脱混沌态, 进入大周期状态 (如图2) [8]~[9];这些状态中, 在混沌到大周期的转变中, 系统状态变化巨大, 因此, 现在一般用此作为Duffing振子检测信号的依据[10]。
2、数据仿真
瓦斯信号是比较复杂, 而且是多变的, 数学模型不易表达, 而由傅里叶级数的普适性可以知, 瓦斯信号可以变换为多个正弦或者余弦信号之和的形式。所以, 本实验以微弱正弦信号作为被测信号, 从而来使基于混沌理论的瓦斯信号检测法的原理与性能得到验证。
实验1
分别向Duffing振子系统之中输入高斯白噪声和与系统策动力信号频率相同的正弦信号, 通过计算机观察Duffing系统状态轨迹的变化。这个分组实验的目的是证明混沌系统能有效的检测微弱目标信号。仿真实验具体步骤如下:
本实验中取混沌振子参数分别为:。首先调节系统策动力的幅度值r, 迫使混沌系统处于混沌到大周期的临界状态, 则r=0.8247, 即rd=0.8247;首先将均值为零, 方差为δ=1的随机噪声作为待测信号输入混沌振子系统之中, 其系统的时域与相轨迹图, 如图3;其次, 将本文采用的被测信号s=0.0001cos (t) 输入到Duffing振子系统之中, 此时系统的时域与相图都发生了重大变化, 即混沌状态进入了大周期状态, 如图4。
域图以及其对应的相图
系统时, 系统时域图及其对应相图
此组对比实验结果验证了Duffing振子系统具有对井下噪声具有极强的免疫力, 而对与其策动力频率相同的微弱正弦信号瓦斯信号却极其敏感的性质;所以Duffing振子能有效的检测微弱信号, 即可验证混沌振子系统检测瓦斯信号的有效性。
实验2
设混沌系统的输入信号为:
式中, r为目标微弱信号的幅值, n (t) 为背景噪声。
将被淹没在背景噪声之中的被测小信号信号s (t) 输入进Duffing振子系统之中, 则系统的输入变成。基于Duffing振子检测微弱信号原理基本可以总结为:首先以一定步长调节策动力幅值r, 混沌到大周期的临界状态出现在系统, 此时策动力幅值记为rd (rd表示Duffing振子在混沌到大周期的临界状态时内置频率的幅值) ;然后输入淹没在背景噪声中的目标小信号信号, 系统状态发生了变化, 然后策动力的幅度值r以一定的步长被减小, 直到混沌状态再次出现系统相轨迹当中为止, 此时策动力幅值记为r。则待检测信号的幅值为:rx=rd-r。
本实验的具体实验步骤为:首先调节策动力幅值r, 使混沌到大周期的临界状态出现在Duffing振子系统之中, 此时rd=r=0.8247;然后向Duffing振子系统之中输入淹没在背景噪声中的目标信号s (t) , 此时无论是时域还是频域的Duffing振子系统均发生了巨大的变化, 相图如图6;然后再次改变策动力幅度值r, 系统再次出现混沌为止, 如图5, 此时策动力幅值为0.8246;则待检测信号的幅值为:rx=rd-r=0.0001。
由本实验可以看出, 强噪声背景下的微弱瓦斯信号可以被混沌振子系统有效的检测, 所以为了瓦斯信号被有效检测乃至井下安全作业, 提出了基于Duffing振子的微弱瓦斯信号检测法,
3、结语
由于瓦斯信号的微弱性以及井下自然环境的恶劣, 本文在井下瓦斯浓度信号检测之中引入了最新的基于混沌技术微弱信号检测法。通过建立Duffing振子系统, 其初值敏感性以及检测微弱信号的原理得到了深入的分析, 并给出了计算机仿真图。最后进行了数据仿真, 仿真结果证明了瓦斯信号能被基于混沌理论的井下瓦斯浓度信号检测法有效的检测。
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混沌理论 篇8
在经济全球化、一体化的环境下, 金融市场快速发展, 其规模日渐扩大。金融投资的特点为风险与收益共存, 为了保证自身投资的成效, 广大投资者对金融市场展开了分析。本文主要从混沌理论视角出发, 对中国股票、期货及黄金等市场展开了全方位的研究, 旨在进一步提高投资决策的有效性。
二、混沌理论概况
在1970年后, 非线性科学快速发展, 经国内外学者共同努力, 完善了其研究内容, 具体包括孤立波、混沌及分形, 其中最为重要的理论之一便是混沌理论。在现代科学技术支持下, 特别是计算机技术, 其为混沌学研究提供了可靠的保障。
混沌学的研究对象主要为动态系统, 其在各个领域均有着普遍的运用, 如:自然与社会科学等, 通过与其他学科的交融与渗透, 进一步促进了其发展。当前, 各国学者均十分关注混沌时间序列预测, 其模型分为两种, 一种为动力学方法, 另一种为相空间重构方法, 前者以已知系统模式为前提条件, 借助描述系统数学模型, 经过简化与求解, 从而保证了预测的有效性;后者借助实际观察数据, 构建适合的空间模型, 通过观察相点的轨迹运动, 从而达到预测目标。现阶段, 混沌时间序列预测方法分为全局法、局域法、人工神经网络法等[1]。
在经济学领域中对混沌理论的应用时间较长, 可追溯到上个世纪80年代, 美国学者最早提出了混沌现象, 此后, 有关学者在风险管理、股票市场、证券市场等方面均引入了混沌理论, 但时至今日, 关于混沌理论在经济领域中的应用仍存在较大争议, 通过对既有理论分析可知, 金融市场研究中对混沌理论的应用主要体现在混沌识别、常规预测等方面, 缺少关于投资决策的研究报道[2]。因此, 本文借助混沌理论研究金融市场投资决策是必要的。
三、基于混沌理论的中国金融市场投资决策研究
金融市场作为市场经济的重要构成部分, 其重要性日益显著。虽然中国金融市场发展时间较短, 但股票、期货及黄金市场经数十年发展均取得了显著的成绩。金融投资属于理财工具, 为了规避投资风险, 保证投资效益, 国内外学者均十分关注中国金融市场投资决策的研究。如果市场有效, 最优投资策略为投资与市场组合、采用消极管理, 但有效市场假说缺少可行性, 随之出现了分形市场假说, 它认为投资者行为与两个因素有关, 一种为金融市场信息接受度, 另一种为投资时间尺度。金融市场作为复杂系统, 其拥有混沌、分形等特性, 因此, 分析过程中可采用混沌、分形等理论。
(一) 研究意义
中国金融市场是由股票、期货及黄金市场构成的, 其面向大众, 拥有固定的场所, 可进行集中化交易, 具体有上海证券交易所、上海期货交易所、上海黄金交易所、深圳证券交易所等。此作为新兴金融市场, 发展迅速, 影响力日渐增强。
本文选用混沌理论进行研究, 具有积极的意义, 在理论方面, 研究中利用分形、混沌理论, 对金融市场展开了非线性分析, 从而推动了金融理论的发展;在现实方面, 对于投资者而言, 其投资成败的关键点便是投资策略, 该策略涉诸多的内容, 包括投资对象、规模及时机等, 通过对合理投资策略的推广, 利于培养投资者的理性思维, 使其全面了解市场特性, 以此保证其预测、决策的成效, 同时也利于促进我国金融市场的稳定与健康发展, 使其规避了金融风险, 提高了管理效率与质量[3]。
(二) 研究内容
1. 混沌性检验。
在应用混沌理论研究中国金融市场过程中, 因确保其属于混沌系统, 为了明确其是否拥有混沌系统的特性, 可通过混沌识别, 研究金融市场中的价格序列数据。通过调查可知, 国内外学者经研究证实了股票市场具有混沌性, 中国股票市场为弱混沌, 但关于其他市场的研究相对较少。因此, 研究过程中侧重期货、黄金市场, 经检测, 确定其具有混沌性, 此后再借助非线性确定性混沌模型展开预测与分析, 从而满足投资决策需求。
在中国股票市场方面, 选用上海证券交易所与深圳证券交易所所提供的4000个数据为研究对象, 其源于B loom berg数据库, 通过对数据处理、计算发现, 二者日收盘价格序列呈现出了尖峰厚尾的特点, 不属于正态分布。通过R/S检验分析显示, 沪深两市拥有非线性特征, 即:价格波动具备分形性与持久性, 经递归图分析指出, 两市指数的价格时间序列具有确定性[4]。
在中国期货市场方面, 虽然国内学者研究了中国期货市场, 但仅限于单一品种, 也未能运用不同方法进行检验。由于期货市场的指数缺少一致性, 各品种均有着独特性, 单一品种的混沌性不具备代表性与典型性, 因此, 研究过程中应选用不同的方法, 以此提高检验分析的全面性与准确性。实践中选用了三大期货交易所的全部上市品种, 首先, 利用最大交易量复权法进行采集, 以此保证了数据的完整性、准确性及代表性, 此后进行了处理、计算及检验。此结果为各期货市场的不同品种价格序列具有尖峰厚尾的特点, 不属于正态分布。通过R/S、B D S及递归图检验可知, 我国期货市场价格序列波动具有非线性与持久性特点, 同时其价格普遍确定。
在中国黄金市场方面, 我国黄金市场发展时间较短, 在21世纪才成立上海黄金交易所, 与国外市场相比, 其在交易量、影响力等方面均相对较小, 但其发展速度较快, 与其他金融市场共同构建了完整的金融市场体系。在金融危机影响下, 美元贬值, 我国开始大规模储备黄金, 但其在外汇储备中所占比重仍相对较小, 因此, 相关学者要求中央应加大其储备量。随着黄金价格的上涨, 国内投资者对其给予了高度关注, 因此, 黄金价格预测与分析逐渐成为了热点。以上海黄金交易所的2000个数据为研究对象, 采集后对其进行处理与计算, 通过R/S、B D S分析与检验发现, 中国黄金市场不符合正态分布, 具有非线性及确定性, 但其非线性特征不够明显, 造成此情况的原因为该市场发展时间尚短, 难以实现定量检验[5]。
通过对三个市场的分析与检验证实, 中国金融市场具备混沌个特性, 因此, 可利用混沌理论探讨其投资决策。
2. 混沌预测。
中国金融市场混沌预测是其投资决策的前提条件, 最传统的投资策略便是价格预测, 即:价格上涨则买入, 而其下跌则卖出。为了掌握中国金融市场的预测方法, 应利用Lyapunov指数, 该指数对系统混沌量及轨道指数发散进行了量化估计, 在相空间寻找相似点与相似轨迹, 在此基础上, 构建预测模型, 经研究证实, 金融时间序列预测经去噪处理后, 其预测性能明显提高;同时, 采用自适应预测方法, 此方法的优点为涉及的样本量少, 预测准确性较高, 同时可克服时变困难, 并拥有自适应跟踪系统运动轨迹, 在分析中国金融市场过程中可选用V alterra级数自适应预测模型, 虽然其预测效果较好, 但也存在不足, 主要表现为缺少稳定性, 个别情况下, 可能出现预测失败。因此, 日后, 该模型仍需进一步改进。
当前, 在金融市场中广泛应用着神经网络模型, 其预测精度高, 并且具有一定的灵活性, 将其用于金融市场预测, 网络通过对样本的学习, 自适应地提取了金融资产价格的动态规律, 同时其动态特性、存储能力, 有效反应了金融市场的时序特性, 从而保证了预测精度[6]。
3. 混沌投资。
金融市场投资决策流程如下:确定投资战略、分析市场、构建投资组合、品股业绩、改进投资组合等, 实践中应注意两个事项, 第一为金融资产分析, 通过对投资工具风险及收益的评估, 以此明确投资时机, 为了解决此问题, 常年的决策方法为技术分析, 结合混沌预测, 构建混合交易模型, 经验证显示, 该模型具有一定的稳定性, 同时还可保证高额收益率;第二为最优资产组合, 主要是控制投资风险, 促进投资收益的最大化, 在处理此问题过程中可利用非线性技术及行为金融理论, 其投资组合模型有M-V模型、M-V-S-K模型[7]。
四、总结
综上所述, 混沌理论作为非线性技术, 将其用于金融投资领域, 利于提高投资者的预测与决策能力, 待有效控制风险后, 其投资收益将更加显著。本文借助混沌理论, 对中国金融市场展开了全方位的混沌识别, 并提出了混沌预测方法及交易、投资模型。
参考文献
[1]刘超, 刘丽.系统金融理论研究——兼论现代金融理论、行为金融理论、系统金融理论的比较[J].南方金融, 2011, 12:9-18.
[2]黄腾飞.基于混沌理论的中国金融市场投资决策研究[D].南京航空航天大学, 2013.
[3]张震.基于混沌理论的金融风险管理模式探讨[J].区域金融研究, 2012, 08:20-26.
[4]杨新华, 施筱勇.有效资本市场理论与混沌理论的融合——资本市场价格波动的规律性[J].华中农业大学学报 (社会科学版) , 2003, 04:18-21+30.
[5]梁成.基于异质性交易者非线性模型的中国证券市场价格波动研究[D].南开大学, 2012.
[6]王玉玲.基于分形分布的金融风险及投资决策研究[D].天津大学, 2011.
混沌理论 篇9
1. 混沌理论强调系统的整体性
系统整体不再是其各子系统性质的简单相加, 其功能将是系统内元素之间的自组织相互作用突变的结果, 系统整体表现出来的性质不再等于部分之和, 因此, 只能从总体上把握整个系统。
2. 商业系统演化的不确定性,
混沌理论认为系统演化的规律具有确定性, 但是演化的结果却是随机的, 即系统确定性下的内在随机性。商业企业作为具有外在随机项的复杂经济系统, 系统的演化规则每时每刻都不确定, 虽然结构是确定的, 短期行为可以比较精确地预测, 而长期行为却变得不规则, 初始条件的微小变化会导致系统的运行轨迹出现巨大的偏差。蝴蝶效应会在系统的发展变化中充分体现。
3. 商业系统结构的分形特征
有混沌就有分形, 只是混沌强调动力学过程, 而分形强调几何结构。商业企业是一个多层次结构的系统, 每个层次尽管具有不同的特点, 其整体与部分间却存在着结构、功能、理念的自相似关系。
二、混沌理论对商业企业管理创新的启示
1. 商业企业管理思维方式的改变
(1) 将传统的分析性思维转到整体性思维。对于复杂的企业的认识, 我们习惯于将其分解成简单独立的组成部分, 然后分析每个部分, 再合成结果。在长期的研究实践中, 这种分析模式的局限性逐渐显露从来, 一个事物被拆分成碎片后, 其中的很多重要的、只有在构成整体才会表现出来的特性消失了, 因此拆分后再合成的结果就必然带有片面性。在商业企业的市场分析中, 人们常常专注顾客、买场、潮流、广告等个体要素, 但是缺乏总体的把握和直觉的判断, 由此做出的战略规划往往与实际情况的错位或时间上的滞后。当收集了足够的信息, 9 9.9 9%地确定了你所做出的决策是正确的时候, 决策也许已经完全过时了.因此要求我们开发整体性的方法, 不要事事总是分解、分析, 而要迅速对整体市场做出直觉的判断。直觉和预感这些一度被现代科学管理排除在外的方法, 我们现在应该拿回来了。
(2) 将决定性思维向非决定性思维转移, 在相当长的时间里人们都热衷于根据掌握的规律来准确地预测未来, 而实际的结果却总是发生偏差。一个复杂的的商业系统具有混沌的特点:分析和预测都建立在对初始条件的把握上, 混沌理论证明:即使初始条件值有微小的差异, 混沌系统对初始条件的敏感依赖性将导致截然不同的结果, 问题的关键是在实践中我们不可能知道商业市场的全部细节, 而这种初始条件值的微小差异不管有多小, 未来都将造成人们错误的预测。在商业企业管理过程中, 即使制定了明确的营销战略、也广泛接受了专家建议、并且有精细的方案, 不确定性将依然存在, 美国威斯康星大学的组织沟通教授菲利普·科莱皮特说:“企业应该主动接受不确定性, 因为不确定性意味着机遇”。
(3) 线性思维迈向非线性思维, 要调整我们的思维理念, 尽量避免循规蹈矩的、机械的、逻辑的推理, 创造性的管理需要的是非线性、非逻辑思维, 顾客、广告、价格、时尚等各要素对我们思维的非线性作用, 会引发想象、直觉、灵感, 成为管理创新的前提, 引发商业管理的革命, 使僵化的商业组织转变为具有适应复杂环境变化能力的新商业组织和新的管理形式。
2. 商业企业管理模式的改变
(1) 倡导自组织管理的管理模式。混沌学的研究表明, 系统在宏观整体上是稳定有序的, 但在微观上存在着无穷的随机性, 具有相当大的自由度和灵活性。这表明了系统整体上的有序和稳定正是来自微观上的无序和不稳定.商业企业系统在宏观上是一个整体, 要在复杂的市场环境中稳定发展, 就必须把作为微观的员工个体“搞活”, 要注意采用自组织的管理不是向系统下达管理者的指令, 而是要营造一个自组织管理的宽松环境。商业企业的员工充满活力和创造欲望, 具有相当的自由度。怎样才能不致引起整个商业企业的混乱呢?采用自组织的管理模式就应该致力于商业文化、企业环境的建设, 使员工感受到组织内部相当宽松和谐的心理环境和文化氛围, 能把整个企业的价值观溶合到自己的价值观当中, 而对员工的工作方式、技巧、过程等不做具体硬性的规定, 给员工以自主性, 释放其活力, 发挥其创造力.创造使整个商业企业到达自组织的状态的条件。 (1) 员工对企业具有高度的认同感; (2) 企业是开放的, 能有效与外界进行人员、物质和信息交换; (3) 良好的企业知识和信息共享机制; (4) 商业策划和预案是自下而上产生的; (5) 针对快速变化的市场, 有迅捷的市场反馈机制。具有这样条件的企业, 更有可能出现自组织。而看似无序的自组织作用, 将导致系统迈向远离平衡的状态, 最终突变为更高一级的新的商业系统。
(2) 用创新取代预测和计划。拉普拉斯的决定论认为只要给定初始条件就可以准确地预测未来。而混沌理论认为初始条件不管发生多么微小的变化都会导致系统未来的运行轨迹出现巨大的偏差。更何况在现实中我们不可能把握作为初始条件的市场的全部细节, 所以预测和实际结果之间的蝴蝶效应就成为必然.在商业企业管理中蝴蝶效应是屡见不鲜的。管理者一个销售策划的失误可使商店亏损倒闭;而一则成功的广告会使销量成倍增长, 成就一个超级企业.希望通过预测未来, 用看似周密的计划来应对变化的商业市场注定难以有好的结果。商业企业是一个复杂的系统, 非线性理论认为开放、交流、创新是系统进化的关键, 包括电子网络的各种现代媒体为企业提供了一个开放环境, 管理者要做的就是促进交流和融合, 人员、知识、信息在交流中融合碰撞, 更容易产生新的元素, 因此取代预测和计划的最好途径就是交流和创新, 树立新的商业理念、开拓新的销售渠道, 开发新的商品、创造新促销模式。企业将会在不断的创新过程中迈向新的高度。
摘要：众多要素构成的复杂市场环境使传统的商业企业管理遇到挑战。混沌理论研究的复杂系统的特点与市场环境复杂性具有一致性, 混沌理论对商业企业的管理理念及管理模式具有深刻的启示作用, 本文力图用混沌理论诠释商业系统运行规律, 提出改变传统的、机械的商业理念, 放弃用预测和计划来确定未来, 在混沌的市场中交流和创新。
关键词：混沌,商业企业,管理创新
参考文献
[1]范如国《:企业制度系统的复杂性:混沌与分形》.科研管理, 第23卷第4期2002年7月
混沌理论 篇10
【关键词】混沌管理理论;高中物理;课堂教学;应用路径
一、引言
混沌理论认为，世界并不是固定不变的，人对其的观察也就必须要从不同的角度来深入，这样的理论也是对“人”的一种肯定，在地位得到提升的同时，也让人意识到自身的矛盾性与复杂性。在高中物理课堂教学中运用混沌管理理论，可以更加真实地展现教师和学生的人性，及其本性中的复杂性和多变性。相比较清晰管理理念的现代教学模式，混沌管理则应当归类于后现代教学模式，是对同一教学环境中师生共同体的有效构建，在教师和学生“人性”都同样得到认可的基础上，实现高中物理课堂教学的可持续发展。
二、高中物理课堂教学的混沌管理的形成依据
1.教学主体的转变要求
在科学信息高度发展的今天，高中的物理教学也深受网络的影响。教师不再是课堂教学的绝对权威者，学生也不再是知识的被动接受者。当学生开始拥有对知识的主观认识和主观感受时，教师也就丧失了管理中的权威性，这同样也就意味着清晰模式在教学中的功能的消失。取而代之的则是教师本身所具有的个人魅力以及教师对学生的关心和尊重。在教学中，权威是有形的，而魅力是无形的，但是，学生对权威的接受却是外在强加而成的，而对教师魅力的感受则是出于学生的一种内在欣赏，只有两者相互结合，形成教学的共同体，才能实现对学生的教育意义。
2.学习方式的改变要求
传统的学习方式只要求学生在课堂教学中充分发挥“听”、“记”、“背”的功能，而对其的主观性却并不作要求。但随着高中物理课程的改革和其教学难度逐步加深，对学生的自主学习能力以及合作探究提出了更高的要求。而此时清晰管理的教学模式则已远远不能满足对学生的培养要求，反而给教师和学生带来了更多的压力。因此，高中的物理教学提出了混沌管理模式，有效舒缓学生清晰模式下物理学习的压力，为学生提供了一个宽松而和谐的氛围，从而实现其对物理的深度学习。
三、混沌管理理论在高中物理课堂教学中的应用路径分析
1.建立混沌教学的主体
在一个新的高中物理课堂教学环境中，一开始教师并不能准确的对每一个学生进行全方位的把握，因此，运用混沌管理理论进行高中物理课堂的管理则显得尤为必要。在这一阶段中，教师要形成管理者的自我定位。相比较清晰化的课堂管理模式，其更加注重的是一种生平的关系，即未来是不断通过对学生这一群体的关心和尊重，形成师生之间的共识，从而进一步实现师生共同体的构建。简而言之，在混沌管理的模式下，教师将自己视为课堂的管理者，更利于加速师生之间的相互了解，形成共同体。
所谓“共同体”，也就是师生在长久的相处中，形成的一种心领神会的相互理解。而在形成共同体的阶段中，教师的管理者身份和学生的被管理者身份的界限都开始渐渐模糊，两者都将同时进入一个管理主体，一个系统之中。以混沌管理相关理论来解释，只有当师生之间形成一种相互吸引的关系时，管理和被管理的关系才会消失，两者之间也才能形成一个不需要监督和约束的统一的管理系统。
2.混沌管理的教学规则
在高中物理教学中利用混沌管理理论，也就时刻要求教师要做到以下几点教学规则：首先，要注重课堂教学中的细节，尤其是语言词汇的使用。在很多的教学实例中都表明，教师在课堂教学中的谩骂和侮辱，会对学生的未来发展造成很大的伤害，许多的课堂破坏者以及成绩不理想者，其基本上都或多或少地与教师的言辞、有其影响。也就是说，在混沌管理模式下的课堂教学中，教师要时刻做到以身作则，规范自己的言行举止，也要有耐心的对学生的物理学习进行教导;其次，要加强师生之间的关爱。与传统的教学手段对比，关爱教学法在意义上也就显得比较混沌，知识的传输是一种理性的过程，而情感的教学则会显得较为感性。但是，这种关爱的教学方式对师生之间的深度交流沟通以及课堂的有效教学却有着十分重要的影响，有利于营造和谐生动的课堂教学氛围，也有助于高中物理课堂教学的可持续发展;最后，形成混沌课堂的简单规则。高中物理课程的混沌教学是一个较为复杂的系统，教师和每一个学生都会对课堂教学的效果产生直接性的影响。因此，只有做到课堂中每一个个体的相互尊重，就可以加强混沌教学的课堂管理功用。除此之外，还需要值得注意的是，这种简单规则的制定者与教师的课堂教学的权威性并无任何关联，它仅仅只是作为师生之间、生生之间相互监督，共同促进的依据。即使当学生在课堂中犯了错，教师对学生的警戒和惩罚也应当置于和谐的氛围中。
【参考文献】
[1]刘徽.混沌课堂管理[D].华东师范大学.2004
[2]马文焰.高中物理教学课堂混沌管理[J].广西轻工业.2010（05）
【作者简介】
李欣（1982.05.-），籍贯：内蒙古牙克石市;单位：内蒙古牙克石林业第一中学;研究方向：高中物理教学;职称：中教一级。
混沌理论 篇11
石油安全是能源安全中的1个重要方面,是指1个国家或地区在各自能源结构和政策状态下,可以及时、足量、经济地获取石油供应,以保障经济社会平稳、健康运行和持续、协调发展的能力和状态。它属于国家经济安全范畴,其内涵由国家经济安全战略核心目标决定。不同的国家由于经济战略安全核心不同,其内涵也不尽相同,如石油净出口国的经济安全战略核心主要是确保生产出来的石油能够以合理的价格销售,石油净进口国的国家经济安全战略核心则是确保石油供应的安全。
严格地说,只有石油供应保障程度或能力低于某种阈值从而对社会经济运行和发展形成一定程度的威胁或损害时,才成为“石油安全问题”。当今和平时期,确保石油供给安全的目的是为了防止油价急剧上涨和下跌的波动、石油供给中断以及防止石油污染对经济发展与社会环境的危害。影响石油安全的因素是极其复杂的,涉及资源、经济、政治、军事等众多方面。这些因素的变化,有些是可控的、常态的;有些是不可控、非常态的。论文所指中国石油安全是指常态下,从我国经济安全战略核心考虑的石油供应安全。石油安全既然是一种能力和状态,进行定量化的评价和预测就非常有必要。
1 石油安全指标体系的构建
从国家角度出发,影响石油安全的因素很多,涉及经济、政治、外交等很多方面。为了对石油安全进行全面综合的评价,坚持可比性、可测性等原则,以指标的重要性和资料的可获取性为前提,在借鉴其他专家学者评价指标设置方法的基础上,从国内禀赋、生产能力、国际供给和应急能力等4个方面,着重从储采比、储量替代率、石油在能源消耗中所占比重、国内石油产量占世界总产量的比重、石油进口依存度、石油进口集中度、国际原油价格、石油储备水平等8个要素构建评价指标体系。由这8项要素指标构成的石油安全指标体系见表1。
2 运用熵值法评价石油安全
2.1 数据的收集
围绕以上4个方面的8个主要要素指标,通过查阅中国统计网、相关新闻网站,查看美国油气杂志,查找BP世界能源统计结果,整理出2000年到2009年关于中国石油安全的统计资料,见表2。
2.2 熵值法评价石油安全
在综合评价中,根据样本数据的有无,可将评价方法分为定性和定量两大类,其中定性方法有德尔菲法、层次分析法、模糊聚类法和比重法等;定量方法有灰色关联度法、人工神经网络法、因子分析法、回归分析法和路径分析法等。由于不同方法有各自的适用范围和相对的优缺点,因此在实际运用中,往往根据实际情况选择合适的方法。
熵值法是利用利用信息论中的信息熵来确定多指标评价体系各指标权重,根据多指标评价体系中的数据,确定各指标的信息熵,信息熵越小,信息的无序度越低,其信息的效用值越大,指标的权重越大;反之,信息熵越大,信息的无序度越高,其信息的效用值越小,指标的权重也越小。通过权重比较各个指标的重要程度,从而作出评价。该方法完全取决于决策数据,优点是客观性强,不受主观因素干扰,适合石油安全评价指标体系的权重确定。为了提高评价结果的可信度,在综合分析比较各种计算方法的基础上,本文用熵值法对中国石油安全进行综合评价。
2.2.1 熵值法的步骤
a)第一步,将各指标同度量化,计算第j项指标下第i年份指标值的比重
(1)式中,dij:处理过后j项指标下第i年份指标值;pij:j项指标下第i年份指标值的比重;
b)第二步,计算第j项指标的熵值Ej:
(2)式中,(m为10,k即为-0.4343),即,则0≤Ej≤1,Ej j项指标的熵值Ej;
c)第三步,计算第j项指标的为决策者提供信息的确定度dj,
(3)式中,dj:j项指标的确定度;
d)第四步,定义第j项指标的权数wj,
(4)式中,wj:j项指标的权数;
e)第五步,计算第i年份中国石油安全度:
(5)式中,Mi:第i年份中国石油安全度。
2.2.2 石油安全评价
由于以上各个因素对石油安全的影响有的是正向作用,有的是负向作用,所以首先应该采用线性变换公式对初始数据进行处理。
对于石油储采比、石油储量替代率等正向指标、国内石油产量占世界总产量的比重、石油在能源消耗中所占比重和石油储备水平这些数值越大,反映中国石油安全度越高,所以起正向作用,对其数字处理采用下面公式:
对于国际油价、进口依存度、进口集中度这些数值越大,反映中国石油安全度越低,所以起负向作用,负向指标采用下面公式:
注:资料来源为中华人民共和国国家统计局http://www.stats.gov.cn/;美国oil&gas journal;BP世界能源统计
(6)、(7)式中,rij:j项指标下第i年份初始指标值;dij:j项指标下第i年份数字处理后的指标值。
使各个指标变成无纲量的,正的同向指标值,变化后对各项指标数据利用公式(1)进行标准化变换,计算指标dij的比重pij,利用公式(2)计算第j项指标的熵值Ej,得到各个指标的熵值Ej。
E=(0.997 077,0.99 437,0.999 791 799,0.998 838211,0.988 664,0.999 806,0.959 868,0.954 358)T
利用公式(3)计算第j项指标的为决策者提供信息的确定度dj,
d=(0.002 923,0.00 563,0.000 208 201,0.001162,0.011 336,0.000 194,0.040 132,0.045 642)T。
利用公式(4)计算出的石油安全各指标的权重为:
W=(0.027 259 874,0.052 505,0.001 942,0.010837,0.105 719,0.001 809,0.374 271,0.425 657)T。
利用公式(5)计算第i年份的中国石油安全度:
M=(0.92 132 543,0.914 674 003,0.847 094762,0.714 127 528,0.780 046 466,0.702 162 306,0.612599 788,0.610 697 378,0.57 611 627,0.638 568 108)T。
2.2.3 结果综合分析
通过以上分析,我们可以看出,石油储备对中国石油安全的影响最大,其次是石油价格,它们的权重和接近0.8,可见二者对中国石油的安全影响比较大,再次是石油进口依存度,而石油进口集中度和国内石油产量占世界总产量的比重对中国石油的安全影响比较小。
根据石油安全形势危急程度,借鉴国土资源部可持续发展指标体系探索与实践的研究成果,将石油安全形势划分为5个等级(见表3)。
据此,从历年石油安全度看,2000年到2002年中国石油安全处于基本安全状态,2003年到2005年中国石油安全处于脆弱安全状态的中间位置,2006年到目前为止中国石油安全一直处于脆弱安全状态的边沿,特别的2008年一度降至不安全状态。总体而言,近几年中国石油安全问题一直处于比较低的层次,中国石油安全度在一直降低,低于前几年的水平,石油安全形势依然严峻。
2.3 GM(1,1)模型预测未来5年的石油安全度
2.3.1 GM(1,1)模型的预测步骤
GM(1,1)模型预测通过累加生成和累减生成使灰色量白色化,建立相应微分方程解的模型,从而对未来作出预测。它能用少量数据对未来做出预测,其特点在于所需参数少,计算简单,预测拟合度较高。其方法是把石油安全度的时间序列经过一次累加,生成的数列有近似指数曲线的分布规律。用一次累加生成的数列,拟合成一阶微分方程解形成的指数曲线。利用指数曲线,再把累加预测后还原得到未来安全度。其步骤如下。
给出非负数据序列为:
X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)},其中x(0)(k)≥0,k=1,2,...n;
对非负数据序列一次累加得:
对X(1)进行紧邻均值生成,得序列Z(1)
Z(1)={z(1)(1),z(1)(2),…,z(1)(n)},其中z(1)(k)=0.5(x(1)(k)+x(1)(k-1)),k=2,3,...n;
于是
其中,X(0)为非负数列;X(1)为一次累加数列;Z(1)为紧邻生成数列;B为数据阵;Y为数据列。
通过GM(1,1)模型x(1)(k)+az(1)(k)=b的最小二乘估计参数列满足U=(BTB)-1BTY
对参数列U=(a,b)T进行最小二乘估计,求出a,b的值。
确定x(1)(i)满足的一阶微分方程
式中,a,b是特定系数。
和时间响应式
求X(1)的模拟值,还原求出X(0)的模拟值,并检验误差
2.3.2 GM(1,1)模型的预测结果
在近10年石油安全度的的基础上,选取近2005年到2009年的石油安全度数据,利用灰色预测的知识和GM(1,1)模型计算步骤,对未来五年的石油安全度进行预测,得到事件响应函数x(k+1)=82.733853exp(-000726*k)-82.031691,相对平均误差:2.95905,计算结果如表4所示:
由预测可知,未来5年内,中国石油安全度既让人欢喜又让人忧虑。喜的是,从表中可以看出,未来5年每年的石油安全度都会达到0.62以上,从此以后将会缓慢将会提高;忧的是,石油安全依然处于脆弱安全状态,石油安全问题依然存在,更需要我们做好长期思想和物质的准备,加大力气扭转和改变这一不利局面。
3 政策建议
为了保障中国石油安全,特别是针对目前中国石油安全中油价高涨,中国石油储备不足以及对外依存度较大的问题,迫切需要改善目前我国石油的脆弱安全状态。今后中国需要进一步制定和实施比较完善的石油安全战略,重点应做好以下几个方面。
3.1 以三期石油储备基地规划为契机
加快战略石油储备体系建设
目前中国正在进行二期石油战略储备基地建设,同时三期石油战略储备基地规划也在有序进行,应该利用这个有利时机,发挥国家、相关部门和企业三方面作用,以国家为主、企业共同参与,加强战略石油储备和商业储备,实施以国内石油储备为主、以国外石油储备为辅的石油储备战略。完善石油储备基地的基本设施和法律制度建设,考虑实施石油储备管理中心、三大集团合作的储备公司、储备基地三级管理,储备公司统筹调度分布在三大公司的储备基地,使石油储备量尽快赶上或接近发达国家水平,确保在战争、自然灾害或其他突发事件发生时,国家石油的不间断供给,同时部分起到平抑国内油价异常波动的功能。
3.2 四面出击
下大功夫构筑并维护蛛网式石油战略通道
通过外交手段,积极寻找新的国外油气资源来源,减少对西太平洋战略通道的依赖,有效降低中国在海上石油运输被中断所导致的脆弱性。实现石油资源进口来源的多元化,降低过分依赖中东石油资源的不利局面。a)加强中国南海石油的开发,并且加快建设通往缅甸的石油运输管道;b)加强东北亚能源合作,建设东西伯利亚—中国—韩国—日本的天然气管道,以及西西伯利亚—中亚—中国—日本的石油管道建设;第三、充分利用上海合作组织,加强和中亚国家以及俄罗斯的能源合作。
3.3 看准时机
争取国际石油乃至重要资源定价权
a)经济危机对西方发达国家的影响远未结束,中国可以借此机会利用金融工具规避国际油价风险,建立石油期货市场,提高参与国际石油期货市场能力;b)随着中国在区域合作中地位的提升,应探讨加强区域合作,共商石油价格形成机制得问题;c)对待高油价的剧烈变动,主动通过开展多方国际合作与对话,从国际油价的被动接受者转变为主动参与者;d)启动稀缺性战略物资的储备工作,适时建立我国主导的煤炭期货市场,抵消油价波动带来的负面影响。
3.4 以十二五规划为导向
加大能源结构调整力度
后石油时代的到来将会重新划分世界资源,中国海外油权益的获取难度的加大,给石油安全构成更大威胁。以十二五规划的目标为导向,在当前和今后一段时期内,a)因地制宜,开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等新清洁能源,加大低成本新能源的开发力度,提高可再生能源在能源结构中的比重,构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系;b)政府应把调整、优化能源结构作为保障能源供应的中心任务,并提高包括石油在内的能源的利用率。
摘要：石油安全问题事关国家安全和生民休戚。试图通过构建石油安全评价指标体系,采用熵值法对石油安全现状进行综合评价,得出我国石油安全水平仍然处于脆弱安全状态的结论,并利用GM(1,1)模型对未来五年石油安全水平进行预测,提出维护中国石油安全的政策建议。