元胞自動機在礦山地質災害預測中的應用

廖晟

摘要：元胞自動機是一種非常復雜的用于科學研究的工具，本文主要通過對于元胞自動機的介紹和分析，簡單介紹了其基本的工作原理和使用方法，并闡述了元胞自動機在礦山地質災害的預測當中的實際應用方法和研究。通過復雜的科學理論，對于元胞自動機在地質災害預測當中的使用價值進行了一定論證，總結了元胞自動機在礦山地質災害預測當中的基本應用，著重分析了元胞自動機在針對礦山地質災害當中的滑坡、地下水滲透以及巖爆等幾項主要地質災害。

Abstract： The cellular automaton is a very complex tool for scientific research， and this paper mainly through the introduction and analysis of cellular automata， briefly introduces its basic principle and use method， and expounds the application methods and research of cellular automata in the prediction of mine geological hazards. Through the complex science theory， certain demonstration about the use value of cellular automata in geological hazard prediction has been conducted， the basic application has been summarized， and it focuses on the analysis of the cellular automata aiming at the mine geological disasters such as the landslide， automaton penetration， rock burst.

關鍵詞：元胞自動機；礦山地質災害；滑坡預測

Key words： cellular automata；mine geological hazard；landslide prediction

中圖分類號：TU94+3.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0114-02

0 引言

隨著經濟的發展，人們對于礦區的利用程度越來越高，在我國，一些主要礦區的礦物產品甚至成為了我國的支柱型產業。但是，礦山地質災害會對人類的生命、財產以及生存環境造成巨大的破壞。礦山地質災害系統是指當某個礦山區域內被認為可能發生，或者已經發生過一次或多次的地質災害的地質類型，或者該區域地質類型的一部分與其周圍所在的環境所構成的一個整體系統。通常來說，礦山地質災害系統在時間上與空間上有著不確定性的特點，它可能是指某個單一的災害，也有可能是幾個災害體復合在一起的一個災害體體系。地質災害系統是一個相對比較復雜的系統，具有著開放性、耗散性、分形性等眾多復雜的特性，所以要做到對礦山地質災害系統的災害發生進行預測是比較困難的，不能僅僅依靠傳統的研究方法。為了采用元胞自動機系統對礦山地質災害進行科學合理的預測，本文針對元胞自動機的特點以及礦山地質災害的特點進行了相關研究分析，解決了元胞自動機系統在解決礦山滑坡、地下水滲透、以及巖爆當中的應用問題。

1 礦山地質災害系統的特征分析

1.1 多層次性與相互關聯性 從礦山地質災害系統的結構來說，礦山地質災害系統的結構非常復雜，其內的子系統很多，且層次劃分較多，結構功能綜合性較強，所以礦山地質災害系統的各個子系統之間的層次交錯，具有聯系性和相互作用，形成了一種非常復雜的聯系。另外，這種復雜的聯系不僅僅表現在礦山地質災害系統的結構特征上，在其內容上也有所體現。從內容上來說，這些子系統的聯系既可以是物質方面的聯系，也可以是能量方面的聯系，也可以是信息方面的聯系。

1.2 影響因素多 地質災害的形成會受到許多因素的影響，而各種影響因素所包含的表達形式種類也很多，所以就造成了地質災害系統當中各種影響因素之間具有非常復雜的因果關系，從而導致地質災害系統內的各種因素之間的關系層次不明朗。

1.3 地質災害系統的不確定性 礦山的地質災害系統屬于一種不確定的災害系統，這種非確定性主要表現在兩大方面，一是其屬于自然特征的表現形式，二是其也是人類對于地質災害的認識程度的表現形式。一般來說，地質災害系統的結構和層次都很模糊，對于其成災原因難以進行預測。同時，對于成災的類型、成災的規模以及成災后造成的后果都是模糊不清的。因為地質災害系統的不確定性，所以在進行地質災害系統研究時非常困難。

1.4 系統的開放性 地質災害系統并不是單一的自然災害，它是與人類以及社會相關聯的一種復雜系統，這個系統是這三者之間能量、物質、信息的表現，所以其具有開放性，正是由于系統的開放性，所以導致了多種因素共同介入從而導致災害的發生。

2 元胞自動機的研究分析

2.1 元胞自動機的概念和構成 元胞自動機是上個世紀50年代首次提出的，提出這一系統的是一名非常偉大的數學家馮諾依曼。馮諾依曼以計算機模擬生物繁殖為基礎，定義一個在元胞空間上由離散、有限狀態的元胞組成的并且按照一種規則在離散的時間維上進行演化的動力學系統。元胞自動機用屬性符號來表達是：A=（Zn，S，N，F）。其中，元胞自動機系統用A來表示，Zn作為n的維歐空間，N作為元胞空間維數。元胞空間是指元胞所分布的空間網點的集合，這個空間既可以是一維的，也可以是多維的，同時，元胞空間可以劃分為多種形式，一般最常見的是二維的元胞空間，所以常見的元胞自動機系統的網格圖一般是三角形、正方形或者六邊形等。

2.2 元胞自動機的特征分析

元胞自動機的框架結構較為簡單，并且自身具有非常高的開放性，可以對系統行為進行非常復雜的模擬。從其自身的特性來分析，它具有以下特征形式：

①離散性。元胞自動機的時間、空間、狀態都是處于一種離散形式，所以它具有非常開放的計算機接口。②空間性。元胞自動機的空間性主要表現在其按照柵格的單元空間來進行定義，所以元胞自動機能夠與很多空間數據集來進行兼容，兼容性非常強。③高維數性。從動力角度講，維數通常是指變量的個數，由于元胞自動機的變量可以說是無窮無盡的，所以元胞自動機的維數也是無窮無盡的。元胞自動機的維度原理示意圖如圖1、圖2所示。④同步性。元胞自動機的每個元胞都遵守各自不同的規則但是卻同步進行運行，所以可以將其狀態的變化認為是一種對于數據信息的處理，這種處理或者說計算也是同步的。⑤簡單性。通過元胞自動機元胞初始狀態以及其周圍的其他元胞的初始狀態，就可以計算出這個元胞在下一刻的狀態，這種計算形式相比于其他復雜的微分計算或者偏微分計算形式來說非常簡單。⑥時空動態性。元胞自動機可以將系統的模擬在時間和空間上進行同步，這與傳統的計算模型中，時間的模擬與空間的模擬分開進行是一種非常大的進步，可以有效提高模擬計算的效率和準確度。

2.3 元胞自動機的應用

對于元胞自動機的應用目前來說主要分為兩個方面，一個是將其作為一種并行處理機制的模型，然后用于進行計算機的一些基本運算；一個是將其作為一個時間與空間綜合的動態模型，用于對自然、經濟、社會等一些復雜的系統進行模擬和預測。

3 元胞自動機在礦山地質災害預測當中的應用分析

3.1 元胞自動機在滑坡中的預測應用 關于山體滑坡的預測在世界上也屬于難度較高的課題研究，由于滑坡的預測要同時對時間和空間進行預測，所以想要準確地預測到滑坡的位置和時間是非常困難的。同時，滑坡系統是一個復雜的系統，其計算參數充滿了不確定性與隨機性，在與外界的環境發生能量交換或者物質交換的時候，其系統的計算參數又會進行不確定的變化。通常，當滑坡系統當中的各種因素的時間、空間以及功能結構等因素發生不平衡，從而導致滑坡的發生。針對滑坡的系統特征，可以將滑坡的逐漸滑動與其和時間的變化聯系作為一個變量模型，結合滑坡的類型以及地質結構，可以構建一種元胞自動機的預測模型，從而實現對于滑坡的預測。例如王曉峰等基于元胞自動機系統，對礦區發生滑坡災害的相關內容進行了研究和預測。

3.2 元胞自動機在地下水滲透中的預測應用 在傳統的地下水位預測當中，通常會采用力學的原理來構建一種數學的預測模型，然后將一些測量值輸入其中，進行計算，從而完成對地下水位的預測。但是由于地下水位的變化受到多種因素的影響，其系統模型具有相當的復雜性，單一、固定的數學模式是很難對其進行準確的預測的。另外，單一的數學模型對于地下水位的變化過程也難以通過數據進行反映。根據地下水位預測的特點，確定元胞自動機的預測模擬可以對其進行較好的預測，從元胞自動機的特性上來說，元胞自動機的預測模型屬于一種方法的框架，所以只要在元胞自動機的框架下按照地下水位變化的特性設計出一種以元胞從局部到整體來進行地下水滲流的模擬演化，就可以對地下水位的變化以及動態變化過程進行模擬和預測，從而達到預防地下水滲透的地質災害。

3.3 元胞自動機在巖爆當中的預測應用 巖爆屬于巖體破壞的一種，通常是由于在開挖過程當中，其內部的較高的應力或者其自身的平衡被順便打破，能力瞬間釋放，從而導致開挖處的巖石猛烈地從母巖當中彈射而出，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。巖爆屬于一種力學的變化形式，一般來說，巖爆多發于隧道工程建設和礦山工程當中，且開挖深度越大，巖爆的發生頻率越高。從力學角度講，巖爆的發生主要受到兩方面力的影響，一是巖石巖體自身的應力，巖石完整、堅硬，同時又有具有彈性，自身應力足夠大，二是巖石周圍的山體或者巖石對于巖石有足夠大的切向應力，二者結合就有可能造成巖石發生巖爆。根據巖爆的系統特性，元胞自動機的特征可以對巖爆進行預測模型的建立，通過對于巖石的不連續性、非均質性等特性，可以通過元胞自動機在時間和空間上對于巖爆發生的時間和地點進行預測。

4 結束語

總而言之，礦山地質災害系統的變化具有非常復雜的特征。在對礦山地質災害進行研究時，要根據其特點，選擇適合的科學方法對其進行研究預測。元胞自動機作為一種可以用于復雜的時空動態演算預測的系統模型，對于特征復雜、且具有復合型影響因素的系統具有非常好的預測演算能力，所以元胞自動機在礦山地質災害的預測當中具有非常好的應用和推廣價值。

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