基于元胞自动机的降雨-径流模型对城市淹没过程的模拟

针对现有的基于元胞自动机(CA)的径流模型无法随时应用于复杂的城市环境,提出了一种基于CA的新型降雨-径流模型(RRCA)来模拟洪水淹没。该模型考虑了12种城市情景而非单一土地利用类型的精细径流生成过程,通过水资源供需的新过渡规则(WS-WD)模拟汇流过程。将RRCA与基于CA的洪水模型(E2DCA)进行比较,结果表明,RRCA和E2DCA与基准模型具有良好的一致性,R^(2)大于0.9,且RRCA在模拟效率和准确性上表现更好。因此,在城市内涝管理中,可通过精准模拟有效识别排水困难区域,从而及时采取相应措施。

考虑折返行为的元胞自动机人员疏散模型

为研究行人折返行为对疏散的影响,考虑多出口对行人的吸引力、人员相互作用力、火源蔓延威胁以及折返场吸引力的共同影响,在元胞自动机模型的基础上提出基于静态场、动态场、火源场以及折返场共同作用的行人疏散场域模型,研究不同折返比例、折返区域、人员密度、出口数量和位置情况下折返行为对疏散进程的影响。研究结果表明:少量折返行为对总疏散时间影响较小,而群体性折返行为的存在会增加总体疏散时间,随着折返比例的增加,疏散时间随之增加。折返区域离出口越近,对总体疏散效率的影响越小。折返行为对疏散进程的影响效果,随着人员密度的增加不断增强。在双出口条件下,对侧设置出口位置能有效减少折返行为对疏散进程的负面影响。研究结果可为提高紧急情况下的疏散效率提供参考。

基于元胞自动机的城市内涝风险识别模型研究

【目的】目前的城市内涝模拟模型面临着资料要求高、计算量大、适用尺度小等诸多挑战,探索简便高效、操作性强的内涝模拟模型,可为缺乏资料的城市提供识别内涝风险、提升防灾水平的有力工具。【方法】集成元胞自动机对复杂系统的模拟能力和地理信息系统平台的空间数据处理能力,结合水文水力学原理定义元胞及其规则,建立城市内涝风险识别模型;利用开源数据,将模型应用于杭州主城八区;对比已有研究讨论模型的适用性和局限性。【结果】结果显示:(1)元胞边长为60 m、时间步长为4 min的模拟结果最好,参数率定与模型验证的纳什效率系数分别为0.9693和0.9714。(2)2021年研究区百年一遇短时强降雨条件下,建设用地中内涝风险区占比6.94%;将雨水管渠设计重现期由5 a一遇提升至10 a一遇,内涝风险区占比降至6.30%。(3)该模型不需要划分汇水区、数据资料要求少,在平原城市短时强降雨的内涝模拟中具有良好的实用性及和易操作性;但也存在物理机制弱、模拟结果不够精细等局限。【结论】基于CA的城市内涝风险识别模型并不是水文水力学数值模型的改进,而是在权衡数据资料要求、模型运算效率、识别结果准确性等多方面因素之后建立的简化模型,对平原城市内涝防治具有较好的适用性。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

基于改进的王正非模型结合元胞自动机的林火蔓延预测

【目的】针对当前我国林火蔓延预测仍存在预测精度不高、普适性差等问题,基于王正非速度模型结合多维元胞自动机的林火蔓延预测模型进行改进,研究了不同区域和分辨率下该模型的有效性,增强了该模型对于不同分辨率数据的适应能力,从而更好地对森林火灾蔓延进行预测,并为林区的火灾蔓延预测和管理提供一种科学合理的技术手段。【方法】使用黑龙江省大兴安岭地区2011年10月28日发生的森林火灾(分辨率500 m)与四川省凉山地区2022年3月29日发生的森林火灾(分辨率30 m)作为数据源,提取发生火灾时刻以及蔓延过程的火线。引入归一化植被指数(NDVI)对王正非模型进行改进,并利用反卷积算法对元胞自动机算法进行改进,将改进后模型输出的结果与实际结果进行精度对比,并比较不同分辨率下的模型精度表现。【结果】改进后的模型精度有明显的提升,其中,黑龙江省大兴安岭试验改进后模型的kappa系数提高了0.0297,面积误差率降低了21.33%,火场预测火点170个,平均过火速度0.75 m/min。四川省木里县试验改进后模型的kappa系数提高了0.1165,面积误差率降低了37.08%,火场预测火点1795个,平均过火速度为4.00 m/min。【结论】改进后的林火蔓延预测模型可以更有效地预测火灾蔓延并计算出最可能过火的火点位置,其预测结果具有高度的一致性和准确性,提高了林火蔓延模拟预测的实用性。与原始模型相比,改进后的模型很好地提高了在不同分辨率数据下的预测精度,能为林火预防和管理提供科学依据。

基于改进元胞自动机的城市区域疏散时序规划模型研究

为解决灾前城市大规模人群有效疏散的难题,考虑实际路网、人口等因素对疏散的影响对传统元胞自动机疏散模型进行改进,构建以各疏散组整体疏散时间最短且不发生拥堵为目标的城市区域疏散时序规划模型,并选取武汉市某滨江地区进行疏散仿真模拟以验证突出模型的有效性与适用性。研究结果表明:提出的模型可以显著减少各疏散组的整体疏散时间和道路拥堵概率,同时得到具体的分阶段疏散方案。研究结果可为制定城市大灾巨灾的应对预案、构建灾害情景等工作提供参考。

耦合多期扩展规律和空间异质性的城市扩展元胞自动机模拟

城市扩展模拟对优化城市空间结构和制定合理规划目标具有重要意义,元胞自动机为城市扩展模拟提供了方法支撑,但综合表达城市扩展时空复杂性的耦合模型仍较少。该文提出一种耦合多期扩展规律和空间异质性的元胞自动机模型(Multi-Temporal and Spatial Cellular Automata,MTS-CA),首先从多方面刻画城市扩展特征并计算各时期与模拟目标期的特征相似性,由此为不同时期的城市扩展规律分配权重;然后利用自组织映射神经网络对城市空间进行分区,挖掘不同空间特征下的扩展规则,表达空间异质性;最后将各时期的局部空间转换规则加权融合得到耦合模型的转换规则。以上海市为研究区验证模型的有效性,结果发现:①城市扩展过程并不是简单的马尔可夫过程,顾及多期扩展规律的模型能更充分表达城市扩展机制,且扩展特征的相似性可在一定程度上表征扩展规律的一致性;②挖掘城市扩展规律时,使用地理分区策略可顾及空间异质性,使局部区域概率分布的匹配效果更佳,进而提升模拟精度;③MTS-CA可以顾及城市扩展的时空复杂性,实现更准确、合理的城市扩展模拟。

基于可变元胞与跟驰理论的元胞自动机模型

为准确模拟桥址随机车流荷载,提出基于可变元胞与跟驰理论的元胞自动机(cellular automata,CA)模型。首先,重新定义元胞构成,提出以车辆为核心的动态可变元胞,并将精确的轴间距和轴重信息融入车辆元胞,实现车辆荷载的精确模拟;然后,引入跟驰理论,提出基于跟驰理论的状态演化规则,推导每辆车的专有加速度,实现车辆微观交互的模拟;最后,提出基于实测动态称重系统(weigh in motion,WIM)数据的发车规则,依据WIM数据,重构任意时段的实际车队,并建立基于车头时距的发车规则,重现车辆通过WIM时的运动状态。基于所提出的发车规则和动态演化规则,实现车辆从进入道路到驶离道路全过程时空位置的准确模拟,结合融入精确轴载的车辆元胞,实现随机车流荷载的模拟。基于实测WIM数据验证所提模型的可行性和先进性。结果表明:可变元胞可以精确模拟车辆荷载;提出的状态演化规则可以根据不同车辆的运动状态计算得到每辆车的专属加速度,准确模拟每辆车在自由行驶和跟驰行驶时的不同运动状态;新发车规则可以重构任意时段的实测车队,结合新状态演化规则,可以实现桥址任意时段随机车流的模拟。结合精细化车辆荷载模拟和合理的车流模拟,可实现桥址随机车流荷载模拟。

颗粒对Al-4.5 wt% Cu合金定向凝固汇聚生长的元胞自动机模拟研究

定向凝固是制备单晶的重要技术之一,被广泛应用于航空航天、能源、电子、医疗器械等领域。但是在定向凝固过程中难免会出现杂晶、夹杂等缺陷,因此研究颗粒对枝晶竞争生长机制的影响对制备高品质单晶试样具有重要意义。基于欧拉多相流模型与元胞自动机方法,通过构建Al-4.5 wt%Cu合金枝晶生长模型,比较不同取向枝晶在相同条件下获得的枝晶前沿溶质分布和枝晶长度差异来验证模型的可靠性,然后开展了定向凝固双晶粒凝固组织演化和颗粒对枝晶生长影响的研究。模拟结果表明,无颗粒影响的汇聚竞争生长中非择优取向枝晶压制择优取向枝晶生长,再现了反常淘汰现象。但是通过将颗粒引入合金定向凝固汇聚生长的晶界附近后,颗粒的存在干扰了非择优生长取向枝晶生长,亦可提高择优取向枝晶生长稳定性,实现了对反常淘汰现象的控制。

基于元胞自动机的高速公路主线同侧连续入口间距研究

针对高速公路主线同侧连续入口处车辆行驶安全与通行效率问题,对高速公路主线同侧连续入口间距进行了研究。通过建立元胞自动机仿真模型,分析了主线与匝道设计速度的差异以及高速公路主线匝道连续入口间距各部分长度对交通冲突率、平均拥堵车辆数和平均速度的影响;提出了不同主线与匝道设计速度组合下的主线同侧连续匝道入口间距推荐值;并对不同间距组合下的工况进行了仿真对比分析。研究结果表明:当主线与匝道设计速度的差异较大时,现有规范中的高速公路主线同侧连续入口间距难以满足交通安全与通行效率要求;相比采用规范中的一般值,采用文中推荐值时的主线车辆平均速度由81.39 km/h上升到95.29 km/h,匝道车辆冲突率由0.0335次/(km·veh)下降到0.0256次/(km·veh),匝道车辆平均拥堵数由0.0077 veh/s下降到0.0022 veh/s,提高了车辆通行效率,降低了车辆发生事故的风险。

基于元胞自动机的旅客登机模型研究

为精准模拟旅客登机过程,对经典的元胞自动机登机模型进行改进,重新定义了过道元胞大小,优化了旅客移动规则,建立了新的登机模型,体现了旅客的差异性。利用MATLAB进行仿真,从登机时间、过道干扰次数、人均登机时间三个方面对不同登机策略的效率进行对比,最后分析了登机时间对行李分布数量变化的敏感性。模型为优化旅客登机过程、提高登机效率提供了依据。

超高强钢丝锌铝合金镀层腐蚀的元胞自动机模拟方法

根据锌铝合金镀层的电化学腐蚀原理,结合锌铝合金镀层微观组织试验、镀层均匀性试验、中性盐雾腐蚀试验数据,建立适用于锌铝合金镀层的二维腐蚀元胞自动机模型,模拟锌铝合金镀层的腐蚀演化过程,分析镀层金属氧化反应、水化反应、水化物溶解反应和镀层不均匀性对腐蚀过程的影响规律.研究结果表明,二维腐蚀元胞自动机模型能够准确模拟锌铝合金镀层的腐蚀演化过程;在镀层腐蚀过程中,金属的氧化反应起主导作用,金属的水化反应和金属水化物的溶解反应是次要因素;同一时刻,氧化概率大小与单位面积金属腐蚀量呈非线性正比关系,溶解概率大小与单位面积金属腐蚀量呈非线性正比关系,水化概率大小与单位面积金属腐蚀量呈反比关系;镀层金属含量的不均匀分布对镀层腐蚀演化过程影响较小,镀层厚度的不均匀性会导致局部区域铁基体过早发生腐蚀,引起蚀坑的出现.

面向灾害蔓延仿真的元胞自动机通用模型

为模拟灾害蔓延而建立的元胞自动机模型种类繁多,但尚无一种通用的建模方法。基于此提出了一种面向灾害蔓延仿真的元胞自动机通用模型。首先,通过解析灾害蔓延机理和理论模型,根据灾害动态发展变化过程的相似性,将灾害蔓延分解为灾害量集、时空邻域集、判定规则集、更新规则集4个部分;其次,采用元胞自动机的建模方法将4个部分重新组合,构建灾害蔓延的元胞自动机参数计算仿真模型;最后,利用所提方法改进了A.Ohgai的城市火灾蔓延模型,并进行了实例验证分析。研究结果表明:所提模型只需输入环境数据和灾害起始扰动,就能得到灾害模型中的各项动态参数,可为多种灾害蔓延仿真提供通用建模方法和实现模式。

基于元胞自动机的人员疏散出口选择博弈模型

为提高人员出口选择行为的疏散效率,针对紧急情况下多出口房间的人员疏散过程,提出了一种结合博弈论方法和元胞自动机模型的出口选择优化模型。该模型基于博弈论中的最佳反应动力学概念,考虑了疏散人员之间的相互影响,其中每个人员通过对其他人的选择策略做出最佳响应。分析了影响人员出口选择行为的关键因素,包括人员的耐心坚定程度、出口可见性和出口熟悉度、出口布局以及最佳出口间距等。并将此模型与模拟软件Pathfinder的进行对比,验证了其高效性。结果表明,低耐心程度会导致人员犹豫徘徊行为,不利于疏散。对于单出口选择情况,出口位置分布在墙壁中间时人员疏散效率最高。对于多出口选择情况,当两个出口位于同一墙壁时,出口的最佳间距应设为所处墙壁长度的0.5倍。而位于不同墙壁时,出口对称设计下的人员疏散选择时间最短。

元胞自动机算法在无人机森林防火中的应用

对森林火情进行多点实时监测和火势路径预判可以有效减少人员伤亡和灾害损失。传统依靠人力进行森林火情检测的方法存在危险性大、机动性不强的问题,且人工对火势路径预测的准确度也不高。为此,提出了一种基于二维元胞自动机算法的森林防火预测模型,并通过无人机进行实时火情参数检测,为模型提供演化更新所需的迭代数据。元胞自动机算法具有较好的森林火情预测准确性,而无人机火情检测则提高了数据收集的效率和安全性。该方法可以为救援人员提供森林火灾发展趋势的精准预测参考,从而提高救灾效率,避免人员伤亡并降低经济损失。

融合多源信息的元胞自动机交通流模型

针对智能网联汽车受环境天气影响易发生交通事故等问题,提出了融合多源信息的元胞自动机交通流模型.首先提出云端环境下多源信息流收集与高精地图数据融合方法,通过神经网络融合多源信息与高精地图,实现地图动态更新,为自动驾驶车辆提供更加精确的路径规划,以有效避免交通事故发生.其次,以多源信息收集模型为基础,搭建双车道交通流元胞自动机模型,从安全距离模型、跟驰规则、换道规则等方面与人工驾驶模型进行对比,以说明融合多源信息的元胞自动机交通流模型的优越性.最后利用MATLAB进行仿真.结果表明:相较于人工驾驶模型,融合多源信息驾驶模型能够增大交通流量,减少交通拥堵,且在短时间内达到稳定状态,从而将道路通行效率提高了27%.

高速公路交通流状态的元胞自动机模型仿真与推演

文章提出了一个新的元胞自动机模型即AD模型。该模型最主要的改进在于车辆的减速方式更加合理。本研究使用SUMO进行微观交通仿真。文章假设了3种可能的下游场景,包括车道封闭、限流瓶颈和限速瓶颈,并使用AD模型、IDM模型和SUMO默认的Krauss模型分别进行分析。结果表明在限速瓶颈场景下,使用AD模型可以得到最好的仿真效果。这一成果对未来的高速公路交通流管控工作具有重要的参考价值。

基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法的Mg-9%Al合金凝固组织模拟

本文基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法,构建了镁合金凝固组织演化模型,研究了Mg-9%Al(质量分数)合金单晶粒和多晶粒下的凝固微观组织演化过程;利用本模型研究了熔体流动对晶粒生长的影响;比较分析不同择优生长方向镁合金单晶粒的生长过程。结果表明:晶粒均呈现六重对称结构生长,且各枝晶的生长差异小于10%,验证了模型的可靠性。由于背流区域的溶质传输较慢,形成较小过冷度,导致生长速度减缓,而迎流区域呈现相反的结果。最后,将模型应用到某压铸件肋板处凝固过程分析,获得该区域凝固组织形貌,将模拟结果与实验结果进行比较发现,两者吻合较好。

基于元胞自动机的实时降雨下流域洪水淹没过程分析

目前实时降雨下流域洪水淹没过程分析复杂,难以满足实际工程应用要求。虽然目前推广性较强的无源淹没分析方法计算简便,但是其实际物理意义不强。为此,基于实时降雨预报和地理信息系统(GIS)技术,建立了基于元胞自动机的洪水淹没分析模型,借助GIS技术生成数字高程模型格网数据,并结合流域下垫面条件求解洪水淹没范围及淹没水深。最后,以江西省宜春市袁州流域为例,考虑植被截留量和土壤下渗量这两种降雨损耗,利用径流系数表示降雨产生径流的损耗过程,进而采用建立的元胞自动机洪水淹没分析模型计算得到4个不同时刻(10 min、30 min、1 h和2 h)的袁州流域洪水淹没数据。同时,利用无源淹没分析方法和基于MIKE SHE的坡面流模型计算结果验证了建立的元胞自动机洪水淹没分析模型的有效性。结果表明:相比于无源淹没分析方法和基于MIKE SHE的坡面流模型,本文建立的模型可以充分考虑流域下垫面条件以及降雨产汇流过程的影响,更加合理地模拟洪水淹没过程,并能够动态输出不同时刻洪水淹没数据。所建模型具有应用推广性强、实际物理意义明确、计算过程较为简便,并且可准确地显示实时降雨下洪水淹没过程等特点。研究成果可为强降雨作用下洪水灾害风险评估、防汛抢险决策方案的制定提供理论参考。

基于元胞自动机的低头族行人效率模型

为科学量化轨道交通通道中低头族行人对通行效率的影响,在实地采集轨道交通通道低头族行人的视频数据的基础上,采用视频自动识别技术,提取了低头族行人的低头频率、抬头频率、行走速度和转角等参数.从策略层和操作层解析了低头族行人的补偿式行为特征,验证了正常行人与低头族行人在转角、行走时间、行走速度之间的异同.利用基于动态参数模型的元胞自动机模型,结合低头族行人的补偿行为特征,构建低头族行人的数值模拟模型,分析出不同混入率低头族行人密度、通行时间、个体空间占用面积与流量之间的相互关系.结果发现30%以上的低头族行人对行人流影响显著.该研究有助深入解析行人行为特性,完善仿真模型在模拟多类型复杂行人流中的应用,并为轨道交通内部设施规划和客流管控提供理论依据.