基于元胞自动机模型的城市空间变化模拟研究进展

元胞自动机(CA)是一种时间、空间、状态都离散,空间的相互作用及时间上的因果关系皆局部的网格动力学模型,其“自下而上”的研究思路,强大的复杂计算功能、固有的平行计算能力、高度动态以及具有空间概念等特征,使得它在模拟空间复杂系统的时空动态演变方面具有很强的能力.在城市空间动态变化的模拟研究方面,CA模型已应用到除非洲、南极洲的所有大洲的城市模拟研究当中.CA模型和G IS的集成,一方面增强G IS的空间模型运算及分析能力,另一方面,G IS提供的强大空间处理能力可以为CA模型准备数据和定义有效的元胞转换规则以及对模拟结果进行可视化.同时CA模型还可以与神经网络、主成分分析、遗传算法、模糊逻辑以及其他研究方法相结合,以增强其在城市空间变化模拟研究方面的能力.将CA与MAS技术相结合,建立一个能够模拟多个不同参与因子(自然系统)、不同决策者(人文系统)共同影响下的城市发展模型,以此来模拟与预测城市发展的真实状况,将是CA模型在城市空间变化模拟与预测研究中的未来发展趋势.     

元胞自动机与神经网络相结合的土地演变模拟

提出了将数据挖掘技术应用于元胞自动机（CA）进行地理模拟的新方法.基于CA原理,利用学习矢量量化神经网络,从不同时相遥感数据中挖掘土地利用演变的内在规律,自动找到土地利用元胞的转换规则,并以该规则反演和预测土地利用格局.在上海市区典型边缘带的应用显示,挖掘出的元胞转换规则,与同期上海城市发展状况相吻合.表明该模型可以满足土地利用演变模拟预测的要求,大大缩短了建立CA转换规则所需时间.     

基于元胞自动机模型的广州市用地变化模拟研究

基于2000年及2009年广州市TM影像解译得到的土地利用类型图,生成城市用地类型数据,选取道路、水系、城镇政府机构以及城市用地现状等影响因子,借助元胞自动机技术,构建城市用地变化的逻辑回归元胞自动机模型,模拟2009年广州市的城市用地变化,并验证预测结果;再基于2009年城市用地类型图,预测2018年广州城市用地情形．结果显示元胞自动机模型在城市用地变化的预测方面是可行的;若按照前一时段的发展趋势,至2018年时,建设用地面积将达25．215％,超过最新一轮城市规划拟定的指标,表明未来城市发展过程中,城市节约集约利用土地的必要性、迫切性;研究还表明,元胞状态发生转变的概率阈值的进一步研究是十分有价值的．     

基于元胞自动机模型的开采沉陷模拟

 开采沉陷模拟对矿区的环境治理和生态恢复具有重要意义.本文将开采沉陷理论与地理元胞自动机相结合,基于GIS平台,以VS2010为开发工具,利用面向对象的方法,构建了开采沉陷元胞空间,探讨了开采沉陷元胞自动机模型的框架结构及实现方法,构建了开采沉陷模拟对象关系图,建立了开采沉陷元胞自动机演化模型.以山西某煤矿为例,开发了开采沉陷元胞自动机原型系统,根据研究区的煤层条件和开发方法,进行了模拟实验,分析未来开采沉陷的演变过程,为土地复垦和生态修复提供依据.结果表明,采用面向对象的方法能够较好地进行开采沉陷系统分析和开发,基于GIS和CA进行开采沉陷模拟,开发方便,系统兼容性好,能够展示更多的时空信息,便于数据管理.在空间划分上,CA模型能够与传统的预计方法有机融合,较为准确地预测未来的地表塌陷损毁情况,为塌陷区治理提供依据.由于开采沉陷涉及的学科较多,未来还需进一步完善演化模型,探讨三维空间下的系统演化过程,提高模拟的真实感和实用性.     

基于元胞自动机的人车交互行为数值模拟方法研究

为提高在复杂人车交互场景下人车混流疏散模拟合理性,对该类场景下安全设计及高效运营提供可靠技术支持.本文基于元胞自动机模型构建开发考虑行人绕行障碍物,车辆行进中避让行人,以及车辆停启对行人过道判断影响等因素的人车混流交互模型.利用该方法对西安某典型商业地下停车场进行仿真模拟,研究在该场景下的微观人车交互行为与疏散时间及疏散过程中的安全事故的关系.结果表明,本文构建的模拟方法将行人与车辆分别设定独立行为规则并进行非线性耦合模拟,更符合现实场景;通过场景模拟结果可得,在车道承载能力范围内,车道内车辆与停车位交互的影响是对人车混流过程中产生延误和危险情况的主要因素.     

贝叶斯概率与元胞自动机的非线性转换规则

利用朴素贝叶斯分类器(NBC)、高斯径向基函数和离散模型获取城市CA模型的非线性转换规则,提出NBC—CA模型,并将该模型应用于深圳市1988-2010年城市演变的动态模拟中。研究结果表明,所提出的CA模型能反映复杂城市系统的非线性、不确定性特点,模型模拟的结果要比传统MCE方法模拟精度高。NBC—CA模型中的径向基参数可解释不同空间变量的作用下,城市发展的集中区域以及空间变量对城市发展的影响范围,能够反映城市发展的模式和特征。     

基于元胞自动机的郑州市区土地利用变化研究

在遥感和地理信息软件支持下,利用1992年和2001年的Landsat TM和ETM+影像,研究了郑州市区两个时期的土地利用变化,并利用马尔可夫链和元胞自动机模型对郑州2010年土地利用情况进行预测分析.结果表明,1992年到2001年,郑州市区土地利用变化主要表现为耕地减少,城镇用地、农村居民用地增加;2001年到2010年,其变化仍表现为耕地减少和城镇用地、农村居民用地的持续增加,其中"耕地→城镇用地、农村居民用地","城镇用地→交通及工矿用地","农村居民用地→城镇用地"变化最为显著.     

城市土地利用动态模拟研究进展

回顾了城市土地利用动态模拟的基本原理、过程、方法和主要模型。研究表明:城市土地动态模拟模型主要有基于经验统计方法的CLUE-S(the conversation of land use and its effects at small region extent)模型、基于多智能主体分析方法的ABM(agent based model)模型、基于栅格邻域关系分析方法的(cellular automata,CA)模型和基于土地系统结构变化及空间格局演替综合分析的DLS(dynamic land system simulation)模型;基于不同的理论和方法的模型,具有不同的优点和缺点,适用于不同的情景模拟;已有文献关于城市动态模拟的研究内容主要体现在城市演进机理和模拟工具研究、模型的改进与完善研究以及模拟结果与过程的可视化表达研究等方面。总结了城市土地动态模拟的基本原理和通用模型框架,归纳了现有模型的优缺点和未来研究趋势。     

改进的元胞自动机交通流模型

在Nagel-Schreckenberg模型(简称NS)的基础上,提出一种可应用智能交通系统(ITS)信息的新的交通流元胞自动机模型。其中考虑了有效间距及刹车灯的作用,并引入了可变安全间距的新概念。数值模拟表明:对于这种改进的ITS元胞自动机模型,道路交通量有了显著提高,体现了智能交通的优越性———有效地扩大交通流量,减少阻塞生成。当考虑快车和慢车的混合交通流时,发现即使少量的慢车也会导致交通流量大幅度下降,说明了严格实施快慢道行驶的必要性。     

基于FPGA的元胞自动机模型

传统元胞自动机数学模型在计算机软件中的实现,受当前处理器顺序执行指令的特性和元胞自动机特殊的数据结构所限,无法同时实现高速度和高精度,因此将其移植到FPGA上实现.硬件实现的模型具有并行计算的特性,能够显著提高计算速度,芯片规模的快速扩大又为高精度的实现提供了可能.设计元胞自动机硬件模型,将其作为IP核嵌入SOPC系统中,在上位机控制下进行模型演化,并设计了软件模型进行参照.经测试,硬件模型能正确实现元胞机算法,在一个时钟周期内完成一代元胞演化,相比于软件模型显著提高了执行效率.     

基于CA的城市土地利用演变人工神经网络模拟

基于CA原理,利用学习矢量量化神经网络从不同时相遥感数据中挖掘土地利用演变的内在规律,自动找到土地利用元胞的转换规则,并以该规则反演和预测土地利用格局.在上海市区典型边缘带的应用显示,挖掘出的元胞转换规则,与同期上海城市发展状况相吻合,表明该模型可以满足土地利用演变模拟预测的要求,大大缩短了建立CA转换规则所需时间.若能增加社会、经济因素的影响,减少网络训练时的信息浪费,将进一步优化模拟效果.     

模拟生命系统的细胞自动机建模方法

本文介绍了细胞自动机的基本概念并给出了建模方法。作为一个应用实例，文中建立了一个细胞自动机模型，它能模拟在同质环境中不同的初始配置和竞争关系对种群分布格局的影响。通过模拟，我们发现模拟结果支持假说－“初始配置对种群最后的分布格局具有重要的影响”。     

基于元胞自动机的拓扑排序算法

目的 利用元胞自动机的特性,找到一种新的拓扑排序算法.方法 将AOV网构造成一个元胞自动机模型,采用经过改造的邻接链表作为元胞的数据结构,并在其中引入随机编号项,所有元胞依据随机编号顺序地遵守演化规则进行演化,实现拓扑排序.结果 利用元胞自动机的时空局部规则和并行计算特性,设计并验证了拓扑排序算法.结论 与传统算法相比本算法在时间、空间复杂性上都有较大改善,并且在应用元胞自动机理论解决图的问题方面有所贡献.     

多态概率元胞自动机森林火灾模型及应用

通过对概率元胞自动机模型的改进,分析了在既不能生长又不能燃烧的空地存在或森林砍伐形成的多态邻居条件下,森林中树木占有率的变化。模拟结果表明在适度留一些既不能生长又不能燃烧的空地或适度砍伐的条件下,不但不会减少森林中树木的比率反而有利于树木的生长。模拟结果与真实情况比较吻合。     

蚁群算法元胞自动机模型应用

提出一种基于元胞自动机理论的蚁群算法模型.将元胞自动机和蚁群算法结合用于解决基于离散数学的移动机器人路径规划问题.试验结果显示,采用基于元胞蚂蚁的算法进行路径规划求取的状态解构型和数值解收敛都能符合应用要求,用蚁群算法元胞自动机模型求解路径规划问题是可行的.     

Occupant evacuation model based on cellular automata in fire

By applying the rules set in traffic flow and pedestrian flow models, a basic cellular automata model is presented to simulate occupant evacuation in fire. Some extended models are introduced to study the special phenomena of evacuation from the fire room. The key of the models is the introduction of the danger grade which makes the route choice convenient and reasonable. Fire not only influences the emotional and behavioral characteristics of an individual but also affects his physical constitution, which reduces his maximal possible velocity. The models consider these influence factors by applying a set of simple but effective rules. It is needed to emphasize that all rules are established according to the essential phenomenon in fire evacuation, that is, all the occupants would try to move to the safest place as fast as possible. Some simulation examples are also presented to validate the applicability of the models.     

基于元胞自动机的物流系统选址模型

元胞自动机是可模拟复杂结构和过程的模型.在分析现代物流发展特点的基础上,建立基于元胞自动机的物流系统选址模型.应用元胞自动机模拟技术及MATLAB,对物流系统的选址模型进行了仿真研究,并获得了合理和有益的结论,可为实际应用提供建模参考.     

材料微观组织CA法模拟的研究现状

建立微观组织演变模型,模拟晶粒形核生长过程及组织分布和偏析情况在近年来已经成为国内外科研工作者的研究热点。在微观组织的模拟方法中,常用的有蒙特卡罗(MC)法和元胞自动机(CA)法。CA法由于其模型结构简单,在空间和时间尺度上都不受限制,适合于大型机的并行计算,而受到更多研究者的青睐。研究表明CA法在金属凝固,静态再结晶及轧制变形所引起的动态再结晶等过程的模拟中,表现出了其特有的优越性。概述了元胞自动机(CA)方法在微观组织模拟中的建模方法及应用,并综述了目前此方面研究工作的进展现状。     

基于元胞自动机的可修复网络系统可靠性评估模型

为了实时有效评估可修复网络系统的可靠性,克服枚举法的状态空间爆炸问题和马尔科夫过程分析只针对一种系统结构的缺陷,提出了一种基于元胞自 动机的网络系统可靠性评估模型?该模型从节点的内在失效概率和网络结构角度,建立元胞自动机的邻域和状态转移函数,提出可修复网络系统演化模型;在离散演化周期内,利用元胞自动机的传播特性算法定期检测系统的瞬时可靠性,累积得到可修复网络系统的近似稳态可靠性?该模型结合解析法和模拟法优点,得到与时间相关的可修复系统稳态可靠性?该算法分别与状态枚举法?蒙特卡罗法进行仿真对比,仿真结果表明,该方法可准确描述可修复网络系统的稳态可靠性,该方法也适用于其他大规模可修复系统可靠性评估?     

摩擦层形成的元胞自动机模拟

建立了汽车摩擦材料在摩擦过程中摩擦层形成的变时间步长的二维和三维元胞自动机模型,模拟了磨屑运动的变化状态与摩擦材料的表面形貌。用二维元胞自动机模型模拟了无磨损条件下摩擦材料表面的摩擦层的形成过程,可以得到磨屑沿摩擦力方向运动并聚集的图像。用三维元胞自动机模型模拟了有磨损时摩擦材料表面的摩擦层的形成过程,可以得到摩擦材料在不同厚度的磨屑运动和聚集的动态图像。通过元胞自动机模拟可以确定摩擦层形成的机制与磨屑的运动和受阻于钢纤维、陶瓷纤维或磨粒并聚集有关,也证明了在摩擦层的研究中元胞自动机法是一个理想的模拟方法。