细胞自动机技术在结构工程领域的应用

黑龙江 谷爽

细胞自动机技术在结构工程领域的应用

黑龙江 谷爽

细胞自动机技术在国内国外的结构工程领域被广泛应用，并且取得了较多的研究成果。本文对此进行了论述。

细胞自动机技术；结构工程；应用现状

1 国内细胞自动机技术在结构工程领域的应用状况

近年来，细胞自动机技术在国内结构工程领域被广泛应用。1999年，王真理、李幼铭采用区域分解的办法对格子气自动机地震波传播模拟的并行化算法进行了研究，提出了两种区域分解算法，并在SGI Power Challenge并行计算机上进行了实际地质模型中平面波反射地震响应的计算，获得了较高的并行计算效率[1]。2000年，沈成武等人尝试用细胞自动机作平面桁架力学分析，探讨了该方法的可行性。算例表明，该方法对结点位移和杆内力的收敛速度均较快，是一种分析固体力学问题有前景的新方法[2]。2002年，杨吉新等人对固体力学中的细胞自动机方法进行研究，并将其应用于小挠度弹性薄板弯曲的静力计算以检验其可行性[3]。2004年，刘劲松等人利用细胞自动机模型进行了地震偏移处理的尝试[4]；李纲等人对强震发生前震源及其周围地区可能会出现前震活动进行了分析。基于细胞自动机模型，引入时间状态依从摩擦本构关系，即把自组织非线性系统的普适特征与真实断层摩擦的具体特征结合起来，研究了强震前短期前兆地震活动的时间演化过程的机理[5]。2006年，吕海波等人在介绍细胞自动机建模基本原理的基础上，结合混凝土碳化的特点，将碳化看作是CO2在混凝土内部的扩散过程，建立了细胞自动机模型[6]；朱守彪等人在由弹簧——滑块——阻尼器组成的平面网络非线性动力学模型研究的基础之上，对细胞自动机模型的演化规则进行了修改，并将其由二维拓广到三维[7]。

2 国外细胞自动机技术在结构工程领域的应用状况

细胞自动机的应用最早出现在1946年[8-12]，但由于并行计算机资源的受限和并行程序实现起来有很多困难，所以直到近几十年来应用一直都不普遍。超大规模并行机的出现使得细胞自动机技术成为许多物理和数学软件的有利工具。细胞自动机的应用范围包括数字映像处理[13]、热交换[14]、结构设计[15]和交通流动模拟[16]等方面。现阶段，细胞自动机等智能技术在土木工程中有着越来越广泛的应用。例如：Eugenio和Rosetti建立了细胞自动机模型模拟固体动力反应[17]；Kita和Toyoda利用细胞自动机典型离散结构演示了弹性结构塑形和拓扑优化[18]；Ignacio等人利用细胞自动机技术计算工程造价[19]；Mamei等人将细胞自动机技术运用于对大跨空间结构的控制上；Chen等人将细胞自动机技术应用于建筑设计软件的开发。

可以看出细胞自动机技术在结构工程中已有较为广泛的应用，尤其是对于地震动的分析和模拟方向上取得了较多的成果。但是利用细胞自动机技术对砌体墙板的破坏模式进行分析还没有先例。

【1】王真理，李幼铭.细胞自动机地震波模拟的并行化算法.地球物理学报，1999,42(3):410-415.

【2】沈成武，唐小兵，杨吉新.平面桁架力学分析的细胞自动机方法初探.武汉交通科技大学学报，2000，24(2):105-108.

【3】杨吉新，沈成武，陈定方.细胞自动机方法解小挠度薄板弯曲问题.力学季刊，2002,23(2):260-264.

【4】刘劲松，许云，乌达巴拉，刘福田，郝天珧.细胞自动机用于地震偏移数值模拟试验.地球物理学进展，2004，19(3):621-624.

【5】李纲，刘杰，傅征祥，刘桂萍.利用细胞自动机进行强震发生前的预测.地震，2004,1.

【6】吕海波，赵艳林，韦克宇，杨军平.细胞自动机的原理及其在混凝土碳化模型中的应用.桂林工学院学报，2006,26(02):191-195.

【7】朱守彪，蔡永恩，刘杰，石耀霖.利用三维细胞自动机模拟地震动活性.北京大学学报(自然科学版)，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.

（作者单位：哈尔滨工业大学建筑设计研究院）

（编辑 刘丽娜）