最大熵原理在水文水资源科学中的应用

简介最大熵原理的基本概念、理论和该原理在水文水资源科学领域中应用研究的进展,综述水文频串分析中推导概率分布和参数估计,时间序列最大熵谱分析等方面的研究成果,展望今后的研究趋向和应用前景。     

基于最大熵原理和属性区间识别理论的洪水灾害风险分析

针对复杂洪水灾害系统中随机、模糊、灰色等各种不确定性,结合洪水灾害风险管理广义熵智能分析的理论框架,以最大熵原理和属性区间识别理论为基础,建立了基于最大熵原理的洪水灾害风险属性区间识别模型(AIRM-POME),利用梯形模糊数和层次分析法相结合的方法确定评价指标权重,采用均化系数综合AIRM-POME计算得到的属性测度区间,由置信度准则和特征值公式对各评价单元进行危险、易损等级的评定和排序,并根据联合国对自然灾害风险的定义及其定量表达式给出风险等级。将模型应用到荆江分洪区洪水灾害风险分析中,实例研究表明,模型合理可靠,深层次地刻画了各种不确定性,是一种风险分析新方法,可推广应用到其他自然灾害的风险分析中。     

油气勘探风险评价的偏最小二乘-最大熵法模型及应用

油气勘探风险的定量评价一直是国内外研究的难点。作者在分析传统风险评价方法的优缺点、剖析偏最小二乘法和最大熵法优势的基础上,首次提出了偏最小二乘-最大熵（PLSME）风险分析模型。偏最小二乘法较好地实现了多元线性回归、主成分分析和典型相关分析的有效综合,通过自变量的PLS回归线性处理,不仅能消除粗差解决变量之间的相关性问题,而且能辨识每一个自变量对因变量的控制程度;最大熵法通过对偏最小二乘得出的风险因子与总经济效益净现值关系式的检验,利用最大值、最小值和最可能值的训练,能了解指标最终服从的概率分布,客观得出风险的大小。两者结合起来构建的PLSME模型,能使风险评价结果更加准确、合理和客观。通过对四川德阳新场气田的实例应用,表明偏最小二乘一最大熵评价方法科学可行,对同类研究具有借鉴作用。     

边坡工程可靠性分析的最大熵方法

边坡工程可靠性分析的最大熵方法,利用已有样本的部分信息来使熵最大化,充分利用了随机变量的高阶矩信息,由样本矩来推断边坡可靠性功能函数的概率密度函数,求解边坡的破坏概率。该方法对基本随机变量的分布没有特别要求,避免了常规方法计算过程中在迭代点处对非正态随机变量进行近似当量正态化处理的缺陷。通常,功能函数的真实概率密度函数很难、甚至无法求得,将Pearson曲线族引入岩土参数随机变量高阶矩的求解当中,可以很容易地得到功能函数的高阶中心矩,然后,基于最大熵原理拟合得到功能函数的最大熵密度函数,采用区间截断法和高斯-克朗罗德数值积分法分别确定最大熵密度函数的拉格郎日系数和边坡的破坏概率。算例分析结果表明:该方法计算效率高,结果可靠,克服了传统方法求解过程复杂、精度低的缺点,将其应用于工程边坡的可靠性分析当中,发展潜力大,具有一定的应用前景和实用价值。     

基于最大熵原理的黄土丘陵区地质灾害规模频率分布研究

在分析地质灾害规模分布的基础上,基于最大熵原理在理论上推导出崩塌、滑坡和不稳定斜坡灾害长、宽和厚等参数规模频率负指数分布关系,提出了规模参数频率分布简单而有效的计算公式。最后以黄土丘陵区宝塔区为例,对所提出的公式进行验证,结果表明：（1）宝塔区地质灾害以中型滑坡和中型崩塌为主,但大型地质灾害在控制着滑坡崩塌总面积和总体积中起着重要的作用;（2）滑坡、崩塌和不稳定斜坡规模等级指数主要集中于(5.5,6]级、(4,4.5]级和(5,5.5]级;（3）崩塌、滑坡和不稳定斜坡的长、宽和厚规模频率分布符合更简单的指数关系,且用指数关系拟合的规模频率曲线不会产生偏转效应;（4）对面积和体积取算术平方根和立方根后,它们的规模－频率分布也呈现出负指数分布,并且拟合效果良好（决定系数R2>0.9,概率P<0.05）。     

最大熵增地表蒸散模型:原理及应用综述

精确估算地表蒸散一直是地球系统科学中的难点问题。经典的蒸散模型大多建立在水汽输送及能量平衡约束等基础上,相关的基础理论研究进展缓慢。最大熵增地表蒸散(E-MEP)模型是在综合借鉴贝叶斯概率论、信息熵概念、非平衡态热力学理论和大气边界层湍流相似性理论的基础上,建立的全新地表蒸散理论框架,克服了经典模型的主要缺陷,包括:离散梯度模型不满足能量守恒条件,Penman模型针对饱和土壤,Penman-Monteith模型需要率定经验参数等。E-MEP模型具有3个显著特点:①同时给出地表(包括水面、雪面和冰面)蒸散量、感热通量和介质表面热通量,且在所有时间空间尺度上满足能量平衡方程;②模型公式中没有可调经验参数,不依赖于温度梯度和水汽梯度变量,不需要输入风速和表面粗糙度;③适用于任何土壤含水量和植被覆盖条件。由于E-MEP模型建立在坚实的数学物理基础上,并具有解析表达式,简单易用,其输入变量和模型参数少于传统蒸散模型使用。地表辐射、表面温度、表面比湿等模型输入变量易于实地观测获取,且可通过遥感反演获得。检验分析表明,E-MEP模型优于Penman和Penman-Monteith等传统蒸散模型。这一全新的地表蒸散模型已被用于大尺度地表水热的遥感反演和过程监测,并用于改进气候模式的参数化方案。     

基于Halphen分布和最大熵的洪水频率分析

设计洪水估算值对水利水电工程的设计规划至关重要,其关键是选择合适的分布线型和参数估计方法。目前采用单一的频率曲线进行水文分析计算,其设计结果具有较大的不确定性。引入Halphen分布函数进行洪水频率分析,并提出了基于最大熵原理的参数估计方法。利用丹江口水库1929~2014年的年最大日流量资料系列,分析检验Halphen分布的拟合效果,并与传统的分布进行比较。结果表明,Halphen函数具有灵活的形式和较好的尾部特征,适合于水文频率分析,其拟合结果基本优于其他的传统分布。     

一个基于熵最大原理的地下水评价模型

针对目前水质评价灰色聚类分析方法中存在的评价结果分辨率不高等问题,本文基于信息论中Jaynes最大信息熵原理,提出了一种新的水环境质量评价模型.通过实例计算并与灰色聚类法评价结果进行对比分析,说明了该模型不仅数学推导严谨、科学合理,而且结果的分辨率、灵敏度以及评价的可靠性都大大提高.     

基于最大熵理论的降雨SPI研究

为了克服目前对标准化降水指数(SPI)计算必须首先假设服从某种分布的不足,依据最大熵理论分布对SPI进行计算,以东江流域为例,分别利用最大熵理论分布、Gamma分布、Weibull分布以及对数正态分布四种概率密度函数拟合多年不同时间尺度的降雨数据,并利用AIC、KS、AD法进行拟合度检验,最后将最大熵理论分布与Gamma分布计算的SPI结果进行对比分析。结果表明:相对于其他三种分布,最大熵理论分布的概率密度函数更适用于东江流域15个站点的3、6、12个月的降雨分布;在极端干旱(洪涝)的情况下,相对于Gamma分布,最大熵理论分布的SPI值更小(大),表明其对极端干旱(洪涝)的识别更为敏感。     

挠力河流域降水量序列的功率谱分析和最大熵谱分析

功率谱分析是以傅立叶变换为基础的频域分析方法;最大熵谱分析是以信息论中熵的概念为基础,建立适当阶数的自回归模型,用Burg算法求解,提取序列的显著周期.研究表明,该站降水量存在3～4年和8～9年的主要周期,与功率谱分析相比,最大熵谱分析具有分辨率高、峰值偏离小等独特优势,提取的主次周期更符合实际,从而揭示了时间序列的内部特征.     

抗剪强度参数概率分布的最大熵估计及边坡可靠度分析

提出了基于最大熵原理的抗剪强度参数概率分布估计方法。首先简要介绍了最大熵原理估计抗剪强度参数概率分布的基本步骤。其次,基于模拟数据分别验证了最大熵原理估计抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率的有效性,并比较了最大熵原理、选优识别和核密度估计方法的不确定性建模精度和稳健性。最后,以一组残积土抗剪强度参数试验数据并结合无限边坡稳定分析为例研究了最大熵原理在抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率估计中的应用。结果表明：最大熵原理能够有效地估计抗剪强度参数的概率分布和边坡失效概率。与传统的选优识别和核密度估计相比,最大熵原理估计抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率的精度和稳健性都更高。最大熵原理避免了核密度估计过分依赖有限样本数据的缺点,又克服了选优识别可能未将真实分布包括在备选概率分布集合中的缺陷。此外,基于有限数据估计的抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率具有较大的离散性。     

Estimation of semivariograms by the maximum entropy method

A wide variety of semivariograms may be represented in terms of a first- or second-order autoregressive (AR) process, and the nugget effect may be included by use of a moving average (MA) process. The weighting parameters for these models have a simple functional dependence on the value of the sill and the semivariance at the first and second lag. These may be estimated either graphically from the semivariogram or directly from the computed values. Improved spectral estimates of geophysical data have been obtained by the use of the maximum entropy method, and the necessary equations were adapted here for the estimation of the weighting parameters of the AR and the MA processes. Comparison among the semivariograms obtained for the ideal case, the observed case, and the estimated case for artificial series show excellent correspondence between the ideal and estimated while the observed semivariogram may show marked divergence.     

On the application of the maximum entropy meshfree method for elastoplastic geotechnical analysis

In this study, the Maximum Entropy Meshfree (MEM) method is employed for analysing geotechnical problems involving material nonlinearity, assuming small strains. The efficiency of the MEM method is evaluated through several solution schemes for the global governing equations as well as the local constitutive equations. The conventional implicit approach involving the Newton-Raphson method and an explicit adaptive dynamic relaxation technique are employed for solving the governing equations, while local constitutive equations are solved numerically as well as analytically. Two- and three-dimensional numerical experiments are performed to study the efficiency of different configurations of the solution scheme, which leads to some important conclusions about application of the MEM method in geotechnical problems.     

Applications of maximum entropy and optimal number of class interval concepts: Two examples

Two data sets, one from surface sediment samples obtained from a subtidal sand wave and another consisting of three wave-height records representing different oceanographic conditions, are employed to test the application of maximum entropy (ME) and optimal number of class interval (K) concepts. Each data set was modified further to obtain a frequency distribution determined by eight unequal-size class intervals. Both original and modified sets were treated by a reliable statistical method. Comparison of relative entropies and results from statistical treatments show the advantage of the transformation of any original data set by means of ME and K methods before analyzing it further.Contribution 127, Instituto Argentino de Oceanografia.     

基于地质灾害危险性的煤层气项目经济评价

煤层气开发项目可能遭受煤矿采空区地面塌陷的威胁,项目不同开发部署方案产生不同的地质灾害危险性评估结果,进而具有不同的经济效益。介绍了在地面塌陷区部署开发井的3种方案,对各方案的地质灾害危险性作了评估和综合分区,计算了各方案、各分区的管输量、现金流量和利润,其中危险性大区和中等区的结果不同,方案1抽采的煤层气多,开发设施受损也多,经济效益不好;方案2开发设施损失少,抽采的煤层气也少,经济效益较好;方案3开发设施受损数量减少,能抽采较多煤层气,经济效益好。采用投资回收期进行危险性分区的方案3优点多,已被开发单位接受。     

基于潘氏极大值原理的边坡稳定性的整体分析法

基于整体分析法和潘家铮最大值原理,建立了求解给定滑面安全系数的非线性优化模型。该模型将安全系数和滑面法向应力视为独立变量,目标函数就是安全系数本身,约束条件包括平衡方程、滑面法向应力和条间推力不负,以及推力线位于滑体之内。由于目标函数又仅是线性函数,且约束函数至多是二次多项式函数,所以该模型的非线性程度较低,具有良好的收敛性,可利用经典的优化算法进行求解。     

洪水灾害风险管理广义熵智能分析的理论框架

基于洪水灾害风险管理的背景分析,提出用广义分布函数及其广义熵理论统一描述、物理解析洪水灾害风险管理系统的各种不确定性信息。基于洪水灾害风险形成机制和风险管理理论与水利科学、信息科学、智能科学综合集成途径,提出由洪水灾害孕灾环境和致灾因子危险性广义熵智能分析、承灾体易损性广义熵智能分析、承灾体灾情广义熵智能分析和风险决策广义熵智能分析组成的洪水灾害风险管理广义熵智能分析的初步理论框架及其主要研究内容,在其它灾害风险管理中具有一定的参考应用价值。     

水上高密度电法在油气管道工程中应用

油气管道的建设施工有时必须穿越河流,本文应用高密度电阻率法于水上油气管道工程勘察。介绍了该方法的基本原理及水上施工的注意事项;讨论了数据预处理及反演过程,实现了长剖面数据的一次性反演;实际工程实例介绍了水上高密度电阻率法的应用效果。