元胞自動機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測中的應(yīng)用

廖晟

摘要：元胞自動機(jī)是一種非常復(fù)雜的用于科學(xué)研究的工具，本文主要通過對于元胞自動機(jī)的介紹和分析，簡單介紹了其基本的工作原理和使用方法，并闡述了元胞自動機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用方法和研究。通過復(fù)雜的科學(xué)理論，對于元胞自動機(jī)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測當(dāng)中的使用價(jià)值進(jìn)行了一定論證，總結(jié)了元胞自動機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測當(dāng)中的基本應(yīng)用，著重分析了元胞自動機(jī)在針對礦山地質(zhì)災(zāi)害當(dāng)中的滑坡、地下水滲透以及巖爆等幾項(xiàng)主要地質(zhì)災(zāi)害。

Abstract： The cellular automaton is a very complex tool for scientific research， and this paper mainly through the introduction and analysis of cellular automata， briefly introduces its basic principle and use method， and expounds the application methods and research of cellular automata in the prediction of mine geological hazards. Through the complex science theory， certain demonstration about the use value of cellular automata in geological hazard prediction has been conducted， the basic application has been summarized， and it focuses on the analysis of the cellular automata aiming at the mine geological disasters such as the landslide， automaton penetration， rock burst.

關(guān)鍵詞：元胞自動機(jī)；礦山地質(zhì)災(zāi)害；滑坡預(yù)測

Key words： cellular automata；mine geological hazard；landslide prediction

中圖分類號：TU94+3.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0114-02

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于礦區(qū)的利用程度越來越高，在我國，一些主要礦區(qū)的礦物產(chǎn)品甚至成為了我國的支柱型產(chǎn)業(yè)。但是，礦山地質(zhì)災(zāi)害會對人類的生命、財(cái)產(chǎn)以及生存環(huán)境造成巨大的破壞。礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)是指當(dāng)某個(gè)礦山區(qū)域內(nèi)被認(rèn)為可能發(fā)生，或者已經(jīng)發(fā)生過一次或多次的地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)類型，或者該區(qū)域地質(zhì)類型的一部分與其周圍所在的環(huán)境所構(gòu)成的一個(gè)整體系統(tǒng)。通常來說，礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)在時(shí)間上與空間上有著不確定性的特點(diǎn)，它可能是指某個(gè)單一的災(zāi)害，也有可能是幾個(gè)災(zāi)害體復(fù)合在一起的一個(gè)災(zāi)害體體系。地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)是一個(gè)相對比較復(fù)雜的系統(tǒng)，具有著開放性、耗散性、分形性等眾多復(fù)雜的特性，所以要做到對礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的災(zāi)害發(fā)生進(jìn)行預(yù)測是比較困難的，不能僅僅依靠傳統(tǒng)的研究方法。為了采用元胞自動機(jī)系統(tǒng)對礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測，本文針對元胞自動機(jī)的特點(diǎn)以及礦山地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究分析，解決了元胞自動機(jī)系統(tǒng)在解決礦山滑坡、地下水滲透、以及巖爆當(dāng)中的應(yīng)用問題。

1 礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的特征分析

1.1 多層次性與相互關(guān)聯(lián)性 從礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來說，礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其內(nèi)的子系統(tǒng)很多，且層次劃分較多，結(jié)構(gòu)功能綜合性較強(qiáng)，所以礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)之間的層次交錯(cuò)，具有聯(lián)系性和相互作用，形成了一種非常復(fù)雜的聯(lián)系。另外，這種復(fù)雜的聯(lián)系不僅僅表現(xiàn)在礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征上，在其內(nèi)容上也有所體現(xiàn)。從內(nèi)容上來說，這些子系統(tǒng)的聯(lián)系既可以是物質(zhì)方面的聯(lián)系，也可以是能量方面的聯(lián)系，也可以是信息方面的聯(lián)系。

1.2 影響因素多 地質(zhì)災(zāi)害的形成會受到許多因素的影響，而各種影響因素所包含的表達(dá)形式種類也很多，所以就造成了地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)當(dāng)中各種影響因素之間具有非常復(fù)雜的因果關(guān)系，從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)的各種因素之間的關(guān)系層次不明朗。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的不確定性 礦山的地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)屬于一種不確定的災(zāi)害系統(tǒng)，這種非確定性主要表現(xiàn)在兩大方面，一是其屬于自然特征的表現(xiàn)形式，二是其也是人類對于地質(zhì)災(zāi)害的認(rèn)識程度的表現(xiàn)形式。一般來說，地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次都很模糊，對于其成災(zāi)原因難以進(jìn)行預(yù)測。同時(shí)，對于成災(zāi)的類型、成災(zāi)的規(guī)模以及成災(zāi)后造成的后果都是模糊不清的。因?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的不確定性，所以在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)研究時(shí)非常困難。

1.4 系統(tǒng)的開放性 地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)并不是單一的自然災(zāi)害，它是與人類以及社會相關(guān)聯(lián)的一種復(fù)雜系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是這三者之間能量、物質(zhì)、信息的表現(xiàn)，所以其具有開放性，正是由于系統(tǒng)的開放性，所以導(dǎo)致了多種因素共同介入從而導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。

2 元胞自動機(jī)的研究分析

2.1 元胞自動機(jī)的概念和構(gòu)成 元胞自動機(jī)是上個(gè)世紀(jì)50年代首次提出的，提出這一系統(tǒng)的是一名非常偉大的數(shù)學(xué)家馮諾依曼。馮諾依曼以計(jì)算機(jī)模擬生物繁殖為基礎(chǔ)，定義一個(gè)在元胞空間上由離散、有限狀態(tài)的元胞組成的并且按照一種規(guī)則在離散的時(shí)間維上進(jìn)行演化的動力學(xué)系統(tǒng)。元胞自動機(jī)用屬性符號來表達(dá)是：A=（Zn，S，N，F(xiàn)）。其中，元胞自動機(jī)系統(tǒng)用A來表示，Zn作為n的維歐空間，N作為元胞空間維數(shù)。元胞空間是指元胞所分布的空間網(wǎng)點(diǎn)的集合，這個(gè)空間既可以是一維的，也可以是多維的，同時(shí)，元胞空間可以劃分為多種形式，一般最常見的是二維的元胞空間，所以常見的元胞自動機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)格圖一般是三角形、正方形或者六邊形等。

2.2 元胞自動機(jī)的特征分析

元胞自動機(jī)的框架結(jié)構(gòu)較為簡單，并且自身具有非常高的開放性，可以對系統(tǒng)行為進(jìn)行非常復(fù)雜的模擬。從其自身的特性來分析，它具有以下特征形式：

①離散性。元胞自動機(jī)的時(shí)間、空間、狀態(tài)都是處于一種離散形式，所以它具有非常開放的計(jì)算機(jī)接口。②空間性。元胞自動機(jī)的空間性主要表現(xiàn)在其按照柵格的單元空間來進(jìn)行定義，所以元胞自動機(jī)能夠與很多空間數(shù)據(jù)集來進(jìn)行兼容，兼容性非常強(qiáng)。③高維數(shù)性。從動力角度講，維數(shù)通常是指變量的個(gè)數(shù)，由于元胞自動機(jī)的變量可以說是無窮無盡的，所以元胞自動機(jī)的維數(shù)也是無窮無盡的。元胞自動機(jī)的維度原理示意圖如圖1、圖2所示。④同步性。元胞自動機(jī)的每個(gè)元胞都遵守各自不同的規(guī)則但是卻同步進(jìn)行運(yùn)行，所以可以將其狀態(tài)的變化認(rèn)為是一種對于數(shù)據(jù)信息的處理，這種處理或者說計(jì)算也是同步的。⑤簡單性。通過元胞自動機(jī)元胞初始狀態(tài)以及其周圍的其他元胞的初始狀態(tài)，就可以計(jì)算出這個(gè)元胞在下一刻的狀態(tài)，這種計(jì)算形式相比于其他復(fù)雜的微分計(jì)算或者偏微分計(jì)算形式來說非常簡單。⑥時(shí)空動態(tài)性。元胞自動機(jī)可以將系統(tǒng)的模擬在時(shí)間和空間上進(jìn)行同步，這與傳統(tǒng)的計(jì)算模型中，時(shí)間的模擬與空間的模擬分開進(jìn)行是一種非常大的進(jìn)步，可以有效提高模擬計(jì)算的效率和準(zhǔn)確度。

2.3 元胞自動機(jī)的應(yīng)用

對于元胞自動機(jī)的應(yīng)用目前來說主要分為兩個(gè)方面，一個(gè)是將其作為一種并行處理機(jī)制的模型，然后用于進(jìn)行計(jì)算機(jī)的一些基本運(yùn)算；一個(gè)是將其作為一個(gè)時(shí)間與空間綜合的動態(tài)模型，用于對自然、經(jīng)濟(jì)、社會等一些復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行模擬和預(yù)測。

3 元胞自動機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測當(dāng)中的應(yīng)用分析

3.1 元胞自動機(jī)在滑坡中的預(yù)測應(yīng)用 關(guān)于山體滑坡的預(yù)測在世界上也屬于難度較高的課題研究，由于滑坡的預(yù)測要同時(shí)對時(shí)間和空間進(jìn)行預(yù)測，所以想要準(zhǔn)確地預(yù)測到滑坡的位置和時(shí)間是非常困難的。同時(shí)，滑坡系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其計(jì)算參數(shù)充滿了不確定性與隨機(jī)性，在與外界的環(huán)境發(fā)生能量交換或者物質(zhì)交換的時(shí)候，其系統(tǒng)的計(jì)算參數(shù)又會進(jìn)行不確定的變化。通常，當(dāng)滑坡系統(tǒng)當(dāng)中的各種因素的時(shí)間、空間以及功能結(jié)構(gòu)等因素發(fā)生不平衡，從而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生。針對滑坡的系統(tǒng)特征，可以將滑坡的逐漸滑動與其和時(shí)間的變化聯(lián)系作為一個(gè)變量模型，結(jié)合滑坡的類型以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建一種元胞自動機(jī)的預(yù)測模型，從而實(shí)現(xiàn)對于滑坡的預(yù)測。例如王曉峰等基于元胞自動機(jī)系統(tǒng)，對礦區(qū)發(fā)生滑坡災(zāi)害的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究和預(yù)測。

3.2 元胞自動機(jī)在地下水滲透中的預(yù)測應(yīng)用 在傳統(tǒng)的地下水位預(yù)測當(dāng)中，通常會采用力學(xué)的原理來構(gòu)建一種數(shù)學(xué)的預(yù)測模型，然后將一些測量值輸入其中，進(jìn)行計(jì)算，從而完成對地下水位的預(yù)測。但是由于地下水位的變化受到多種因素的影響，其系統(tǒng)模型具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，單一、固定的數(shù)學(xué)模式是很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測的。另外，單一的數(shù)學(xué)模型對于地下水位的變化過程也難以通過數(shù)據(jù)進(jìn)行反映。根據(jù)地下水位預(yù)測的特點(diǎn)，確定元胞自動機(jī)的預(yù)測模擬可以對其進(jìn)行較好的預(yù)測，從元胞自動機(jī)的特性上來說，元胞自動機(jī)的預(yù)測模型屬于一種方法的框架，所以只要在元胞自動機(jī)的框架下按照地下水位變化的特性設(shè)計(jì)出一種以元胞從局部到整體來進(jìn)行地下水滲流的模擬演化，就可以對地下水位的變化以及動態(tài)變化過程進(jìn)行模擬和預(yù)測，從而達(dá)到預(yù)防地下水滲透的地質(zhì)災(zāi)害。

3.3 元胞自動機(jī)在巖爆當(dāng)中的預(yù)測應(yīng)用 巖爆屬于巖體破壞的一種，通常是由于在開挖過程當(dāng)中，其內(nèi)部的較高的應(yīng)力或者其自身的平衡被順便打破，能力瞬間釋放，從而導(dǎo)致開挖處的巖石猛烈地從母巖當(dāng)中彈射而出，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。巖爆屬于一種力學(xué)的變化形式，一般來說，巖爆多發(fā)于隧道工程建設(shè)和礦山工程當(dāng)中，且開挖深度越大，巖爆的發(fā)生頻率越高。從力學(xué)角度講，巖爆的發(fā)生主要受到兩方面力的影響，一是巖石巖體自身的應(yīng)力，巖石完整、堅(jiān)硬，同時(shí)又有具有彈性，自身應(yīng)力足夠大，二是巖石周圍的山體或者巖石對于巖石有足夠大的切向應(yīng)力，二者結(jié)合就有可能造成巖石發(fā)生巖爆。根據(jù)巖爆的系統(tǒng)特性，元胞自動機(jī)的特征可以對巖爆進(jìn)行預(yù)測模型的建立，通過對于巖石的不連續(xù)性、非均質(zhì)性等特性，可以通過元胞自動機(jī)在時(shí)間和空間上對于巖爆發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。

4 結(jié)束語

總而言之，礦山地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的變化具有非常復(fù)雜的特征。在對礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研究時(shí)，要根據(jù)其特點(diǎn)，選擇適合的科學(xué)方法對其進(jìn)行研究預(yù)測。元胞自動機(jī)作為一種可以用于復(fù)雜的時(shí)空動態(tài)演算預(yù)測的系統(tǒng)模型，對于特征復(fù)雜、且具有復(fù)合型影響因素的系統(tǒng)具有非常好的預(yù)測演算能力，所以元胞自動機(jī)在礦山地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測當(dāng)中具有非常好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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