面向大型金属工件组织模拟与预测的元胞自动机-有限元模型(英文)

基于能量最低原理,本文建立了适用于金属材料塑性变形过程中动态再结晶组织模拟的元胞自动机模型。模拟结果表明:晶界和第二相粒子对位错运动的阻碍作用有利于动态再结晶形核;变形组织中晶粒尺寸符合Weibull分布,平均晶粒边数随着变形量的增加逐渐增大至理想值6。将有限元方法和元胞自动机模型的耦合,本文模拟了金属材料的多道次热轧过程,分析了轧板中再结晶晶粒尺寸及分布、再结晶分数及分布。与实验结果的对比分析表明。

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。

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。

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。

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。

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.

面向宽窄交替航道的船舶交通元胞自动机模型

为了提高宽窄交通航道的通行效率,针对宽窄交替的结构特点,以基尔运河为例,根据其航道宽窄段交替结构的特点,建立了双向船舶交通流元胞自动机模型,研究基尔运河的船舶交通流仿真。根据基尔运河的实际结构建立元胞空间,并基于固定闭塞理论和移动闭塞理论建立演化规则。基尔运河的结构导致大型船舶无法在狭窄的区间内同时通过,为了描述该现象,在元胞自动机模型中建立了合适的等待规则。在仿真分析中,主要讨论了不同船舶入流率、大小船舶比例、船舶间安全距离的影响。在仿真结果的基础上,进一步研究了基尔运河船舶交通流改善的瓶颈识别和改进策略。结果表明,基尔运河窄段长度过长是瓶颈所在,其使得运河内船舶大量停泊等待。

考虑全局交通信息的城市路网元胞自动机模型

将车辆起讫点引入四向BML(Biham-Middleton-Levine)模型,在周期边界下研究城市交通流的动力学演化过程.驾驶人选择到终点的最短路径时不仅要考虑相对位置,还要考虑道路排列的行(列)的奇偶性.采用静态路径选择策略时,由于路径在初始时刻已经确定,在很低密度下就发生局部死锁,并不能有效提高临界密度.采用基于全局交通信息的动态路径选择策略,驾驶人根据速度阈值,在满足转向条件时可以改变运动方向来避开拥堵区域.模拟结果表明,采用较小的阈值就可以有效减少交通拥堵,且不会显著增加行程距离.如果采取分区的局部控制策略,还可以进一步减小平均速度的脉动.

基于元胞自动机模型的海上风电场影响分析

文中提出一种基于元胞自动机模型的海上风电场影响分析方法.以船舶失控漂移模型计算海上风电场安全距离,确定风电场影响范围,利用NaSch模型结合航道变窄换道规则对风电场建成后的船舶交通流进行模拟仿真,获得风电场对船舶交通流影响的时空图,分析风电场对船舶交通流的影响.结果表明:文中提出模型可以有效对海上风电场的影响进行仿真建模,其结果可以反映风电场建成前后的交通流状态.

基于灰色模型-元胞自动机模型的佛山市土地利用情景模拟分析

通过模拟土地利用变化情景,了解土地利用变化趋势,可为制定科学的土地利用管理策略提供支持,根据近年来建设用地扩张在佛山市土地利用类型变化中占主导地位的特点,选择灰色模型作为数量模型,元胞自动机模型作为空间模型,设定3种建设用地扩张情景:适度约束、中度约束和强力约束,结合数量模型和空间模型的优点,模拟2015年土地利用空间布局。研究结果表明:在设定的3种建设用地扩张情景下,建设用地增加的面积分别为278.3、216.5和154.6km2,相应来源于耕地的比率分别为42.28%、48.38%和55.96%,说明耕地仍然是建设用地增加的主要来源,也即耕地保护和经济发展的矛盾将会进一步增大,可为政府和土地管理部门制定政策提供一定的参考,从而采取更有针对性的措施。

基于元胞自动机的雨天高速公路可变限速控制

针对雨天高速公路交通安全和通行效率问题,通过考虑降雨强度对水膜厚度和能见度的影响,基于不同降雨条件下的路面附着系数,建立了随机减速幅度随车速变化的大小车混合交通流元胞自动机模型。根据车辆速度、最大减速度及与前车的间距判断是否发生交通冲突。最大减速度随着雨量增加而减小。构建了以交通冲突率和平均行程时间为代表的交通安全与通行效率评价指标。通过微观仿真手段,以中雨为例分析了大小车比例、减速概率、车辆到达率和换道概率对冲突率和平均行程时间的影响,研究了暴雨、大雨、中雨条件下限速值对冲突率和平均行程时间的影响,以寻找不同降雨条件下的最佳限速值。仿真结果表明:减少车辆到达率、缩小大车比例、降低减速概率和提高换道概率有助于缩短高速公路平均行程时间;减少车辆到达率、降低减速概率、换道概率和大小车混合程度有助于降低冲突率;相同降雨条件下,平均行程时间随着限速值的增加而下降,冲突率随着限速值的增加而上升;不同降雨条件下,冲突率随着降雨强度的增加而上升,最佳限速值随着降雨强度的增加而下降。综合考虑交通安全性与交通效率,建议高速公路暴雨和大雨条件下小型车辆限速值分别取60 km/h和80 km/h。

弹性力学中无网格和有限元耦合的元胞自动机算法

结合有限元和无网格算法的优势,提出了一种元胞自动机算法用以求解二维弹性力学问题。该算法将二维模型离散成一系列节点,这些节点被分成有限元群和无网格群。有限元区域被定义在问题的边界附近,其中的任一节点和其周围相邻点的力学关系通过有限元单元建立;无网格区域定义在远离原理问题边界处,其中的节点之间的关系借用有限元中的位移插值概念建立。无论处于有限元区域还是无网格区域,任何一个节点都被置于元胞自动机的框架下进行处理,即节点的位移通过元胞自动机进行求解。与有限元方法相比,所提出的元胞自动机算法无需采用高斯消去法等传统系统求解器,而是通过元胞自动机的自动演化解决问题。依据该算法,有限元和无网格方法可以实现无缝连接。数值算例验证了该算法的新颖性和正确性。

基于元胞自动机模型的电影院小团体疏散策略研究

为了提高电影院人员的疏散效率,基于元胞自动机模型,以电影院中小团体为研究对象,研究疏散过程中小团体行为对疏散结果的影响,并提出相关的疏散策略。疏散模拟实验结果表明,小团体内部人数的增多会降低总体疏散效率;规模不同的小团体在比例不同的情况下,将规模大的小团体优先安排在离出口近的座位上有利于提高整体疏散率。