細胞自動機技術在結構工程領域的應用

黑龍江 谷爽

細胞自動機技術在結構工程領域的應用

黑龍江 谷爽

細胞自動機技術在國內國外的結構工程領域被廣泛應用，并且取得了較多的研究成果。本文對此進行了論述。

細胞自動機技術；結構工程；應用現狀

1 國內細胞自動機技術在結構工程領域的應用狀況

近年來，細胞自動機技術在國內結構工程領域被廣泛應用。1999年，王真理、李幼銘采用區域分解的辦法對格子氣自動機地震波傳播模擬的并行化算法進行了研究，提出了兩種區域分解算法，并在SGI Power Challenge并行計算機上進行了實際地質模型中平面波反射地震響應的計算，獲得了較高的并行計算效率[1]。2000年，沈成武等人嘗試用細胞自動機作平面桁架力學分析，探討了該方法的可行性。算例表明，該方法對結點位移和桿內力的收斂速度均較快，是一種分析固體力學問題有前景的新方法[2]。2002年，楊吉新等人對固體力學中的細胞自動機方法進行研究，并將其應用于小撓度彈性薄板彎曲的靜力計算以檢驗其可行性[3]。2004年，劉勁松等人利用細胞自動機模型進行了地震偏移處理的嘗試[4]；李綱等人對強震發生前震源及其周圍地區可能會出現前震活動進行了分析?；诩毎詣訖C模型，引入時間狀態依從摩擦本構關系，即把自組織非線性系統的普適特征與真實斷層摩擦的具體特征結合起來，研究了強震前短期前兆地震活動的時間演化過程的機理[5]。2006年，呂海波等人在介紹細胞自動機建模基本原理的基礎上，結合混凝土碳化的特點，將碳化看作是CO2在混凝土內部的擴散過程，建立了細胞自動機模型[6]；朱守彪等人在由彈簧——滑塊——阻尼器組成的平面網絡非線性動力學模型研究的基礎之上，對細胞自動機模型的演化規則進行了修改，并將其由二維拓廣到三維[7]。

2 國外細胞自動機技術在結構工程領域的應用狀況

細胞自動機的應用最早出現在1946年[8-12]，但由于并行計算機資源的受限和并行程序實現起來有很多困難，所以直到近幾十年來應用一直都不普遍。超大規模并行機的出現使得細胞自動機技術成為許多物理和數學軟件的有利工具。細胞自動機的應用范圍包括數字映像處理[13]、熱交換[14]、結構設計[15]和交通流動模擬[16]等方面?，F階段，細胞自動機等智能技術在土木工程中有著越來越廣泛的應用。例如：Eugenio和Rosetti建立了細胞自動機模型模擬固體動力反應[17]；Kita和Toyoda利用細胞自動機典型離散結構演示了彈性結構塑形和拓撲優化[18]；Ignacio等人利用細胞自動機技術計算工程造價[19]；Mamei等人將細胞自動機技術運用于對大跨空間結構的控制上；Chen等人將細胞自動機技術應用于建筑設計軟件的開發。

可以看出細胞自動機技術在結構工程中已有較為廣泛的應用，尤其是對于地震動的分析和模擬方向上取得了較多的成果。但是利用細胞自動機技術對砌體墻板的破壞模式進行分析還沒有先例。

【1】王真理，李幼銘.細胞自動機地震波模擬的并行化算法.地球物理學報，1999,42(3):410-415.

【2】沈成武，唐小兵，楊吉新.平面桁架力學分析的細胞自動機方法初探.武漢交通科技大學學報，2000，24(2):105-108.

【3】楊吉新，沈成武，陳定方.細胞自動機方法解小撓度薄板彎曲問題.力學季刊，2002,23(2):260-264.

【4】劉勁松，許云，烏達巴拉，劉福田，郝天珧.細胞自動機用于地震偏移數值模擬試驗.地球物理學進展，2004，19(3):621-624.

【5】李綱，劉杰，傅征祥，劉桂萍.利用細胞自動機進行強震發生前的預測.地震，2004,1.

【6】呂海波，趙艷林，韋克宇，楊軍平.細胞自動機的原理及其在混凝土碳化模型中的應用.桂林工學院學報，2006,26(02):191-195.

【7】朱守彪，蔡永恩，劉杰，石耀霖.利用三維細胞自動機模擬地震動活性.北京大學學報(自然科學版)，2006，2.

【8】N.Wiener，A.Rosenbluth.The Mathematical Formulation of the Problem of Conduction of Impulses in a Network of Connected Excitable Elements,Specifically in Cardiac Muscle.Arch Inst Cardiol Mex，1946,16:205-265.

【9】S.U.Random.Processes and Transformations.In Proceedings of the International Congress of mathematics，1952,(2):85-87.

【10】J.von Neumann.Theory of Self–Reproducing Automata.University of Illinois Press，1966.

【11】S.Wolfram.Cellular Automata and Complexity:Collected Papers.Addison-Wekey Publishing Company，1994.

【12】S.Wolfram.A New Kind of Science.Wolfram Media，2002.

【13】K.Preston,M.J.B.Duff.Modern Cellular Automata.Theory and Applications.Plenum Press，New York，1994.

【14】B.B.Lowekamp，L.T.Watson，M.S.Cramer.The Cellular Automata Paradigm for the Parallel Solution of Heat Transfer Problems.Parallel Algorithms and Applications，1995,9:119-130.

【15】Z.Girdal，B.Tatting.Cellular automata for design of truss structures with linear and nonlinear response.Proceedings of the 41st AIAA/ASME/ASCE/ASH Structures，Structural Mechanics and Materials Conference.Atlanta，USA，2000:1580-1591.

【16】J.Wahle,L.Neubert,J.Esser,M.Schreckenberg.A Cellular Automaton Traffic Flow Model for Online Simulation of Traffics.Parallel Computing.2001,27:719-735

【17】A.Engenio,M.Rassetti.A Cellular Automataon for Elasticity Equations.

【18】E.Kita，T.Toyoda.Structural Design Using Cellular Automaton.Department of Mechano-Information Systems.Nayoya University，1997.

【19】Ignacio López,Rubén Salvador,Jaime Alarcón,Félix Moreno.Architectural Design for a Low Cost FPGA-based Traffic Signal Detection System in Vehicles.VLSI Circuits and Systems III，2007,5.

（作者單位：哈爾濱工業大學建筑設計研究院）

（編輯 劉麗娜）