細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

黑龍江 谷爽

細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

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細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在國內(nèi)國外的結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并且取得了較多的研究成果。本文對此進(jìn)行了論述。

細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)；結(jié)構(gòu)工程；應(yīng)用現(xiàn)狀

1 國內(nèi)細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用狀況

近年來，細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在國內(nèi)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。1999年，王真理、李幼銘采用區(qū)域分解的辦法對格子氣自動機(jī)地震波傳播模擬的并行化算法進(jìn)行了研究，提出了兩種區(qū)域分解算法，并在SGI Power Challenge并行計算機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際地質(zhì)模型中平面波反射地震響應(yīng)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(xì)胞自動機(jī)作平面桁架力學(xué)分析，探討了該方法的可行性。算例表明，該方法對結(jié)點(diǎn)位移和桿內(nèi)力的收斂速度均較快，是一種分析固體力學(xué)問題有前景的新方法[2]。2002年，楊吉新等人對固體力學(xué)中的細(xì)胞自動機(jī)方法進(jìn)行研究，并將其應(yīng)用于小撓度彈性薄板彎曲的靜力計算以檢驗(yàn)其可行性[3]。2004年，劉勁松等人利用細(xì)胞自動機(jī)模型進(jìn)行了地震偏移處理的嘗試[4]；李綱等人對強(qiáng)震發(fā)生前震源及其周圍地區(qū)可能會出現(xiàn)前震活動進(jìn)行了分析?；诩?xì)胞自動機(jī)模型，引入時間狀態(tài)依從摩擦本構(gòu)關(guān)系，即把自組織非線性系統(tǒng)的普適特征與真實(shí)斷層摩擦的具體特征結(jié)合起來，研究了強(qiáng)震前短期前兆地震活動的時間演化過程的機(jī)理[5]。2006年，呂海波等人在介紹細(xì)胞自動機(jī)建?；驹淼幕A(chǔ)上，結(jié)合混凝土碳化的特點(diǎn)，將碳化看作是CO2在混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散過程，建立了細(xì)胞自動機(jī)模型[6]；朱守彪等人在由彈簧——滑塊——阻尼器組成的平面網(wǎng)絡(luò)非線性動力學(xué)模型研究的基礎(chǔ)之上，對細(xì)胞自動機(jī)模型的演化規(guī)則進(jìn)行了修改，并將其由二維拓廣到三維[7]。

2 國外細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的應(yīng)用狀況

細(xì)胞自動機(jī)的應(yīng)用最早出現(xiàn)在1946年[8-12]，但由于并行計算機(jī)資源的受限和并行程序?qū)崿F(xiàn)起來有很多困難，所以直到近幾十年來應(yīng)用一直都不普遍。超大規(guī)模并行機(jī)的出現(xiàn)使得細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)成為許多物理和數(shù)學(xué)軟件的有利工具。細(xì)胞自動機(jī)的應(yīng)用范圍包括數(shù)字映像處理[13]、熱交換[14]、結(jié)構(gòu)設(shè)計[15]和交通流動模擬[16]等方面?，F(xiàn)階段，細(xì)胞自動機(jī)等智能技術(shù)在土木工程中有著越來越廣泛的應(yīng)用。例如：Eugenio和Rosetti建立了細(xì)胞自動機(jī)模型模擬固體動力反應(yīng)[17]；Kita和Toyoda利用細(xì)胞自動機(jī)典型離散結(jié)構(gòu)演示了彈性結(jié)構(gòu)塑形和拓?fù)鋬?yōu)化[18]；Ignacio等人利用細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)計算工程造價[19]；Mamei等人將細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)運(yùn)用于對大跨空間結(jié)構(gòu)的控制上；Chen等人將細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計軟件的開發(fā)。

可以看出細(xì)胞自動機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程中已有較為廣泛的應(yīng)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(xì)胞自動機(jī)技術(shù)對砌體墻板的破壞模式進(jìn)行分析還沒有先例。

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

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

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

【4】劉勁松，許云，烏達(dá)巴拉，劉福田，郝天珧.細(xì)胞自動機(jī)用于地震偏移數(shù)值模擬試驗(yàn).地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19(3):621-624.

【5】李綱，劉杰，傅征祥，劉桂萍.利用細(xì)胞自動機(jī)進(jìn)行強(qiáng)震發(fā)生前的預(yù)測.地震，2004,1.

【6】呂海波，趙艷林，韋克宇，楊軍平.細(xì)胞自動機(jī)的原理及其在混凝土碳化模型中的應(yīng)用.桂林工學(xué)院學(xué)報，2006,26(02):191-195.

【7】朱守彪，蔡永恩，劉杰，石耀霖.利用三維細(xì)胞自動機(jī)模擬地震動活性.北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院）

（編輯 劉麗娜）