基于元胞自动机的火灾中人员逃生的模型

在已有的元胞自动机交通流模型和行人流模型的基础上，提出了一个模拟火灾中人员逃生的基本模型，并介绍了其扩展模型的应用，主要特点是引入了“总危险度图”的概念，使得模型在确定人员逃生路线方面更加合理、方便。模型所有规则的确定都遵循一个总的原则：逃生的人员总是尽可能以最快的速度往最安全的地方运动。模型具有很强的扩展能力，可以很好模拟人员的智能性以及火灾场景的作用。用模型对大房间内人员的疏散过程进行了模拟，表明本模型具有较强的实用性。     

基于多智能体的微观交通流模拟模型

在分析传统跟驰模型和元胞自动机模型不足的基础上, 提出了基于多智能体的微观交通流模型. 在模型中创建了一种新的跟驰方法, 设计了具有推理机制的汽车换道策略, 模拟城市主干路和高速公路交通流. 实验结果表明, 本模型比元胞自动机模型有更高的模拟精度, 在研究复杂交通流方面优于传统跟驰模型, 能较好地模拟堵塞、自由流和同步流等车流现象.     

自动机网络和交通的模拟研究

自动机网络是空间变量、时间变量和状态变量皆为离散集的动力系统，由于计算机科学的发展，自动机网络已经在基础和工程应用中的显示出它的广泛适用性和重要性，本文介绍自动机网络和元胞自动要的理论和应用，元胞自动机交通模型以及对多种交通因素进行的模拟研究。     

Science Bulletin 2016年第21期中文概要

正城市增长模型:进展和观点李雪草,宫鹏城市增长模型一直被广泛地用来研究城市扩张及其对环境的影响评价,帮助政府决策支持及实现对未来场景的预测.本文对城市增长模型进行了系统性地回顾,包括城市增长模型的演化、模型理论基础、模型模拟框架及典型应用.重点介绍了三类基础的城市增长模型:土地利用交通模型、元胞自动机模型和多智能体模型以及它们之间的内在关系、模型模拟机制、数据需求和应用尺度上的差异.最后,本文针对元胞自动机模型,从模型的模拟单元、时序信息的考虑、模型比较与平台和场景分析上提出了改进的方向,并指出了模型发展和应用新的机遇,包括开放公众数据及     

疏散准备时间及出口宽度对人员疏散影响的模拟

在人员疏散计算过程中, 通常将疏散准备时间取为一定值, 而事实上它是一个服从概率分布的随机变量. 通过利用GridFlow疏散模型研究了疏散准备时间及出口宽度对人员疏散的影响. 在一个单空间建筑条件下, 研究了疏散准备时间服从正态分布时, 在不同人员密度条件下, 对人员疏散的影响情况. 同时, 比较了当疏散准备时间服从正态分布和取为定值两种情形时计算得到的疏散时间的差异, 阐述了当疏散准备时间取为定值时可能导致的两个主要缺陷. 基于拥塞与排队理论, 对计算结果进行了分析. 此外, 当疏散准备时间服从正态分布时, 研究了出口宽度对整个疏散时间的影响. 最后, 根据计算结果, 分析了整个疏散时间的概率分布状态. 结果表明, 当疏散准备时间平均值比较小的情况下, 人员疏散时间主要受人员密度的影响; 随着疏散准备时间平均值的增加, 人员疏散时间受人员密度变化的影响越来越小. 对于较长的疏散准备时间、较低的人员密度或较宽的出口, 当疏散准备时间服从正态分布时, 总的疏散时间也服从正态分布.     

考虑溶质原子拖拽效应及各向异性的元胞自动机法模拟钛合金单相区静态粗化

晶粒静态粗化是一种重要的物理现象,严重影响微观结构的演化和材料的力学性能.如何有效模拟这一过程已经成为该领域的研究热点.本文通过考虑溶质原子拖拽效应和晶界迁移各向异性对晶粒粗化的影响,建立了元胞自动机模型,并对钛合金单相区静态粗化过程进行了模拟.为了描述不同溶质原子的拖拽效应对粗化的影响,文中将溶质原子在beta相中的扩散速度等效转化成钛原子的迁移速度.为此,提出了定量描述溶质原子扩散速度与钛原子迁移速度之间转化关系的数学表达式.其中,表达式中考虑了影响溶质原子扩散速度的因素如溶质原子的半径、原子质量及晶格类型.通过引入参数c0考虑晶界迁移各向异性对粗化的影响.当c0为1时,则认为晶界迁移为各向异性,若为0时则认为是各向同性.将上述表达式应用到元胞自动机模型中,模拟钛合金(包括TC4,Ti17,TG6和TA15)在单相区的静态粗化现象.预测结果包括粗化动力学和组织演化与试验进行了对比,而且较为吻合.最后,讨论了时间、温度和化学成分对粗化的影响,以及本文元胞自动机模型预测粗化的局限性.     

考虑人员行为的元胞自动机行人运动模型

相对于车辆运动, 行人在变速、转向方面更加智能和灵活, 且轻微的推撞是可以接受的, 不像车辆那样受车道的严格限制, 此外其受周围环境包括一些潜在的意外或突发现象的影响更加多样和复杂, 从而显得混乱, 因此给模拟带来困难. 提出的二维行人运动的元胞自动机模型通过一些简单的规则制订和给定的参数, 研究了两向行人运动(包括从左向右和从下向上的行人运动)中出现的自组织和临界现象, 在本文给出的尺度范围内发现随着系统尺度和人群密集度的增大, 临界密度基本保持不变.     

GPU-CA模型及大尺度土地利用变化模拟

在全球变化研究中,对省和国家尺度的土地利用变化过程进行模拟具有重要的意义.但大尺度的土地利用变化模拟存在数据量大、计算复杂、计算时间长等难点,由于计算能力和传统基于CPU计算模式的制约,在普通计算机中难以执行这样的模拟.把最新发展的GPU高性能计算技术与元胞自动机(CA)模型相结合,提出了GPU-CA大尺度土地利用变化模拟模型,并将其应用到省级尺度的土地利用变化模拟中.介绍了模型的问题映射、需解决的关键技术问题和计算的流程,并分析了GPU-CA模型在计算性能上的优势.通过全广东省的土地利用变化模拟,对GPU-CA模型进行了验证.实验表明,GPU-CA模型可以将原有一般CA模型的运行效率提高30倍以上,能够有效地应用于省和国家级的土地利用变化模拟,为全球变化模型提供重要的地表景观变化信息.     

中国森林火灾的自组织临界性

研究了中国1950-1989年40年间森森火灾的自组织临界性,详细分析了自组织临界性的稳定性、尺度不变性以及受外界因素的影响情况。森林火灾元胞自动机模型是研究自组织临界性的一个经典模型,考虑到树种、环境和人为因素对森林火灾的影响,对经典模型进行了修正,并构造出新的模型,将中国的森林火灾“频率-面积”数据同经典模型、修正模型的演化计算结果进行了比较,结果表明：中国的真实森林火灾具有自组织临界性,修正模型改善了计算结果与真实数据的一致性。     

利用LBM-FVM-CA耦合方法模拟管表面上的颗粒沉积与脱离过程

发展了一个包含积灰形状演化、颗粒沉积和脱离机理的数值模型和计算方法,模拟了单排管表面的积灰过程.首先建立了流动的格子Boltzmann方法-有限容积方法(LBM-FVM)耦合的计算模型,给出了通过宏观参数构建多松弛LBM分布函数的重构算子;并结合元胞自动机模型、能量平衡模型以及力和力矩分析,模拟了颗粒的运动、沉积和碰撞过程;其次,针对模拟的时间步长相对于实际积灰时间较短的困难,提出了用于将模拟时间换算到实际时间的比例;然后,具体模拟和分析了不同直径颗粒在不同入口速度下的积灰过程.结果显示,积灰面积随时间呈指数增长并趋近于一个平衡值;在颗粒质量分数一定时,存在一个积灰速率较高的速度范围;颗粒脱离在迎风面和管子正后方较为严重,但在背风面侧面相对缓和;积灰层在整个背风面生长,在迎风面形成锥形,改变了流动并阻止了颗粒的进一步沉积.     

论地理系统模拟基本模型*

地理计算模型和地理信息系统（GIS）的集成是实验地理学研究急需解决的技术难点。地理系统丰富的内容、复杂的结构和功能的多样性,给人们分析、模拟地理系统带来了挑战。本文针对众多地理计算模型侧重表达、地理分析,多方法应用、众多模型无法筛选等现状, 从计算地理学、地图学、地理信息科学等前沿需求出发, 将地理系统模拟的基本模型归纳为在GIS平台支持下由点[CD*2]多智能体（AB）、面[CD*2]元胞自动机（CA）、流[CD*2]系统动力学（SD）构成的地理系统模拟基本模型,并探讨了地理系统模拟基本模型的框架、结构与通讯,深入解析了各模型的原理、集成的关键技术与应用途径, 为地理系统模型进一步发展及地理系统模拟平台研制与开发提供参考。     

流行病传播模型与SARS

本文讨论流行病传播模型的发展历史,认为它主要经历了决定论模型、原胞自动机模型和复杂网络模型这三个阶段,同时简要介绍了本课题组和其他课题组分别运用决定论模型、原胞自动机模型或复杂网络模型模拟北京市的SARS传播过程的一些例子,拟说明这三个阶段中取得的认识进展都有利于对SARS传播建立模型、进行预测、探讨规律,然而不同的模型又各具特点.在复杂网络模型模拟的介绍中重点叙述近年来的重要认识,即网络的"小世界性"、"无标度性"、"高团簇性"对流行病传播的影响,并且报道了本课题组在模拟SARS传播时得到的相应结果.     

122号初等元胞自动机的复杂性分析

动用符号动力学和形式语言等工具证明１２２号初等元胞自动机的极限语言不但是非正规的,而且是非上下文关的。     

细菌种群迁移的时空动力学

集群迁移是生物应对环境变化展现出的高度有序的集群行为.细菌的种群迁移涉及细胞个体的运动、细胞异质性、空间自组织机制等问题,是定量生物学研究领域重点的研究方向.近年来,研究人员利用数理模型、计算模拟的研究方法结合定量生物学实验研究细菌种群迁移的时空动力学过程,重点关注了集群协调个体行为的空间自组织策略、集群的代谢和生长周期性振荡、集群迁移速度和空间定植的定量关系等问题.本文对细菌种群迁移的研究进展进行概述,介绍细菌个体水平的随机运动和趋化运动,细菌种群趋化迁移和群集运动的模式,探讨细菌种群迁移的时空动力学的研究工作和定量合成生物学在细菌种群迁移研究的应用,并对该领域未来的研究方向和技术手段进行展望.     

中国北方土地利用/覆盖变化的情景模拟与预测

以北方13省(市)为研究区, 借助系统动力学(SD: System Dynamics)、人工神经网络(ANN: Artificial Neural Network)和元胞自动机(CA: Cellular Automata)模型建立了 “自上而下“和“自下而上”相结合, 数量变化与空间分布相结合的不同情景下土地利用/覆盖变化时空演变规律的动态模拟模型, 并对研究区多种土地利用/覆盖类型变化的时空特征进行模拟. 模型充分发挥了各子模型的特点和优势, 综合了土地利用/覆盖变化的宏观驱动因素与微观格局演化特征, 较全面地考虑了多种土地利用/覆盖变化驱动因子, 并引入CA模型中, 利用BP神经网络简化了CA模型模拟过程中参量权重确定问题, 提高了参量权值确定的精度和模拟结果的可靠性, 模拟精度约74%, 在一定程度上反映了大区域土地利用/覆盖变化的空间格局演变特征, 对脆弱生态区土地利用/覆盖变化的复杂性和生态环境响应研究具有一定参考价值. 模拟结果表明, 未来30 a中城建用地、林地、水体将明显增加, 耕地和未利用地将不断减少, 草地的数量则在波动变化中相对保持稳定; 空间上, 农牧交错带和东-南部地区变化最为显著.     

考虑危险源的城市应急交通疏散风险评价模型

临界簇模型用道路结构和紧急情况下需要疏散的人口数所决定的道路容量需求来表征区域疏散风险, 具有参数较少、方法简单、通过局部寻优而实现全局优化的特点, 为针对开放空间的应急交通疏散问题的解决提供了有力工具. 鉴于城市中的各种危险源已成为威胁城市安全水平的重要因素, 本文在临界簇模型的基础上, 引入事故风险影响因子和疏散方向, 建立了考虑危险源的城市应急交通疏散风险评价模型. 事故风险影响因子从根本上考虑了其与距离的负相关关系, 表达了危险源对应急交通疏散的影响; 疏散方向则体现了避难人群总是背离危险源疏散的基本原则, 通过疏散路径的可行解来确定. 本文还在GIS的支持下, 对北京市的道路交通网进行了简单的模型应用.     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

生态学、医学与诊断学的泛系元理论[Ⅱ]

本文继续发展元生态学、元医学与元诊断学的泛系理论,用隐泛系定理、泛系转化守恒性与泛系观控性来处理因果关系、泛环境关系以及诊断、规划与决策问题,有关内容涉及泛系地理学、泛系经济学、数理语言学、通信学、模糊控制与人工智能、科学研究、定理推广、综合区划、侦探模式与五行生克自动机网络等。     

分子马达单向梯跳运动的偏压涨落模型

提出了一个研究分子马达单向梯跳运动的含色噪声的偏压涨落模型 .在绝热近似下给出了几率速流的表达式 .用Monte_Carlo方法模拟了马达分子的力与速度关系和梯跳运动     

复杂系统研究的重要工具：细胞自动机及其应用

复杂现象是由具有许多不同状态的大量基本单元在非线性作用下形成的有机整体,因而以非线性相互作用为基础对复杂系统进行多角度、多方法描述是必要的.细胞自动机正是以复杂系统的特点而设计的用计算机可以模拟的研究复杂系统的极为有用的方法.本文阐述细胞自动机的基本原理、特征及其在经济与管理中的应用.