一種基于元胞自動機的滑坡模擬算法

摘要：傳統(tǒng)滑坡動態(tài)模擬過程中，存在著模擬物理模型復雜，效率低下等問題，導致模擬效率低。本研究在傳統(tǒng)方法的基礎上引入元胞自動機模型進行優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)方法滑坡的滑動過程模擬模型過于煩瑣，且模擬可靠度低的問題，并增加了多因素分析，將滑坡看作一個復雜系統(tǒng)，從而可以較為真實的模擬真實滑坡過程，最后通過數(shù)據(jù)驗證了本文算法的可行性與可靠性。

關鍵詞： 元胞自動機；多任務；滑坡模擬

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）21-0293-03

1 引言

我國地大物博，幅員遼闊，自然災害時常發(fā)生，是對人民生命財產安全的最大威脅和對社會經(jīng)濟發(fā)展的重大制約因素。滑坡屬于自然災害中危害性較為顯著的一種，對滑坡過程模擬可以增強人民對滑坡的認識與理解，可以更好地為防災救災服務。

考慮到滑坡實時動態(tài)模擬所面對的存儲空間量大，實時存儲速度要求較高，我們提出一種針對復雜運動過程的元胞自動機滑坡模擬算法，為滑坡模擬乃至通用復雜運動過程模擬的優(yōu)化研究提供一種新的解決思路。

通過閱讀文獻我們可以得知，各種各樣的新型高效算法都開始應用到滑坡模擬、滑坡預測等方面。張永新等人對這些方法做了總結，第一個是技術的集成，將不同的滑坡研究理論應用到一起，綜合解決問題。第二個是現(xiàn)代科學方法的引進，通過對近些年來一些高效、先進的算法進行研究，融入滑坡模擬。本文就是在兩個方法的基礎上，綜合展開而來。

2 元胞自動機模型

元胞自動機是20世紀末研究并快速發(fā)展起來的復雜科學模型，該模型由元胞組成；每個元胞在t時刻有一個狀態(tài)值，所有元胞分布在元胞空間里，根據(jù)定義的規(guī)則進行周期轉換。大量的元胞在元胞規(guī)則多個周期約束下相互影響，構成整個模型的運行機制。

2.1 元胞自動機在數(shù)學上的定義

2.2 元胞自動機的組成

最簡單的元胞自動機模型由元胞、演化規(guī)則、鄰居以及元胞空間四塊組成，廣義上看，可以簡單地描述為空間以及函數(shù)兩部分。

（1）元胞也叫作細胞，或單元，是CA模型的基礎。

（2）元胞狀態(tài)指在t時刻的狀態(tài)值，如在本次滑坡模擬中采用十進制0、1、2來表示。

（3）元胞空間：元胞空間指元胞自動機模型里各個元胞的空間網(wǎng)點集。

（4）鄰居的確定：元胞自動機模型中，元胞下一時刻狀態(tài)是否改變，是自身與相鄰元胞狀態(tài)綜合決定的。

（5）確定元胞所有的演化規(guī)則以及規(guī)則約束下的狀態(tài)集合，兩者構成了元胞狀態(tài)轉換動力學函數(shù)。

（6）時間：元胞自動機模型是一個非靜態(tài)模型，具有時空特征，模型在時間上的應用具有離散型。

3 多因素元胞自動機模型在滑坡上的應用

本次滑坡模擬主要過程是把一個滑坡體劃分成一個個滑面，而每個滑面都是由一個個元胞空間組成，通過分析地理地質因素的改變而影響的元胞以及元胞初始化。如：元胞摩擦角、元胞傾角以及粘聚力、土壤成分組成比等，例如其中土壤濕度、溫度等可以影響元胞粘聚力。

3.1 實施方法

具體實施中，將滑坡體的滑坡面進行有效劃分成X*Y個元胞塊，每一個塊分別是一個滑坡體元胞，而對于每個滑坡體元胞又賦予他們三種狀態(tài)，有0狀態(tài)、1狀態(tài)、2狀態(tài)，三種狀態(tài)各自表示元胞處于空穴、實體顆粒以及空穴實體混合體，進行滑坡實例到元胞自動機模型對象的等值轉換。在演化規(guī)則不斷約束運行下，處于三種狀態(tài)的元胞不斷轉化，通過記錄0狀態(tài)元胞的數(shù)量以及位置，則可以動態(tài)地進行滑坡運動過程的模擬。

所以具體實施方法有以下步驟：

（1）制定滑坡元胞自動機概念模型。根據(jù)規(guī)則確定滑坡體元胞空間以及元胞演化規(guī)則的定義，然后根據(jù)實際情況進行模型其他部分內容的填充；

（2）將滑坡體參與模擬的部分抽象成X*Y的元胞空間矩陣，X*Y個方塊表示整個滑坡體元胞。分析每個元胞在t時刻的狀態(tài)；

（3）按一定的概率分布，設置初始狀態(tài)每個元胞的初始能量；

（4）演化規(guī)則以及元胞鄰居的確定。根據(jù)滑坡模擬的力學、物理、人文知識確定演化規(guī)則，根據(jù)元胞鄰居定義標準，對每個元胞的鄰居進行標記；

（5）通過對演化規(guī)則的分析以及對元胞空間的約束，讓整個模型進行一個元胞周期的統(tǒng)一計算更新，然后重新定義或修改演化規(guī)則，重復上述過程，直至元胞空間開始穩(wěn)定。

所以滑坡元胞層的主要涉及對象主要包含兩個：

（1）第一個是滑坡體元胞的初始化：各元胞狀態(tài)所占比例以及分別進行賦值，即計算滑坡智能模擬模型開始運行時元胞空間中0、1、2狀態(tài)的元胞各占的比例需要考慮的對象：元胞空間組成。

（2）另一個是最終元胞自動機模型的基本直接參與單位：滑坡元胞。

我們此次模擬用元胞自動機進行滑面等值轉換，通過把滑坡體的滑坡面進行有效劃分成X*Y個元胞塊，每一個塊分別是一個滑坡體元胞。第一步為前期準備工作、第二步為滑坡體區(qū)域矩陣化，這兩步都是前期準備工作，可以算為通用步驟。第三步是按一定的概率分布設置在初始狀態(tài)每個元胞的初始能量，即0、1、2狀態(tài)的確定，接下來即通過轉換規(guī)則對滑坡元胞進行轉換判定，從而得出整體元胞的狀態(tài)。

3.2 具體實現(xiàn)

前面已經(jīng)做好了系統(tǒng)實現(xiàn)的鋪墊，包括概念模型與實施步驟，現(xiàn)在只需要建立一個合適的數(shù)據(jù)庫以及可視化平臺，即可以很好地進行滑坡動態(tài)模擬。本文采用VS2010平臺對該模型算法進行編程測試，并進行可視化展示。

（1）建一個小滑塊

創(chuàng)建一個小方塊元胞個體，該對象包括了形狀和剛體兩大部分。density與globalPose兩個分量分別表示密度和初始位置，而每個元胞滑塊初始化過程中又定義了大小，從而可以計算出質量。

（2）建一個滑坡承載空間

一個滑坡承載空間，在本次模擬可視化設計實現(xiàn)過程中，是隨機生成一個平滑的曲面，兩頭高，中間凹陷進去，有一定的蜿蜒起伏，組成整個滑坡承載空間的物質有冰面materialIce，石頭materialRock，泥土materialMud，草地materialGrass，每個不同的組成都有不同的物理屬性。

經(jīng)過系統(tǒng)生成，我們可以得到如圖所示的滑坡體承載空間，可以看到，整個承載空間成起伏曲線狀，兩頭高、中間低，且下方有一處小平地，整個空間由灰色、褐色、綠色三種顏色組成、分別表示滑坡體承載體有泥土、石頭以及草地組成。

（3）滑坡初始化滑坡承載體建起以后，就是滑坡初始化過程，創(chuàng)建好了滑坡小滑塊以及滑坡體承載空間，就可以進行滑坡可視化的模擬工作了，我們可以創(chuàng)建一個100*100的小滑塊滑坡元胞空間。下圖分別是正面圖與側面圖。

（4）經(jīng)過10000步的運行，可以發(fā)現(xiàn)，滑坡運動過程基本趨于靜止，不再活躍，僅有極少部分的滑塊在做微小的移動。

通過對滑坡具體實例所進行編碼、模擬和有效性驗證表明：本文介紹的多任務時空數(shù)據(jù)模型，能夠較好地描述實際滑坡作用過程，具有一定的應用價值。

4 結論

綜上所述，本文通過理論研究和開發(fā)，提出了一個可操作的基于元胞自動機的滑坡模擬模型較好地解決了滑坡三維模擬中的時態(tài)性和可視化問題，實現(xiàn)了對滑坡過程及其時空特征的動態(tài)模擬。通過具體的模擬實踐，驗證了所提出的模型的合理性。

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