摘要：傳統(tǒng)滑坡動(dòng)態(tài)模擬過程中，存在著模擬物理模型復(fù)雜，效率低下等問題，導(dǎo)致模擬效率低。本研究在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上引入元胞自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)方法滑坡的滑動(dòng)過程模擬模型過于煩瑣，且模擬可靠度低的問題，并增加了多因素分析，將滑坡看作一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，從而可以較為真實(shí)的模擬真實(shí)滑坡過程，最后通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文算法的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞： 元胞自動(dòng)機(jī)；多任務(wù)；滑坡模擬

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）21-0293-03

1 引言

我國(guó)地大物博，幅員遼闊，自然災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，是對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的最大威脅和對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大制約因素?；聦儆谧匀粸?zāi)害中危害性較為顯著的一種，對(duì)滑坡過程模擬可以增強(qiáng)人民對(duì)滑坡的認(rèn)識(shí)與理解，可以更好地為防災(zāi)救災(zāi)服務(wù)。

考慮到滑坡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬所面對(duì)的存儲(chǔ)空間量大，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)速度要求較高，我們提出一種針對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程的元胞自動(dòng)機(jī)滑坡模擬算法，為滑坡模擬乃至通用復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程模擬的優(yōu)化研究提供一種新的解決思路。

通過閱讀文獻(xiàn)我們可以得知，各種各樣的新型高效算法都開始應(yīng)用到滑坡模擬、滑坡預(yù)測(cè)等方面。張永新等人對(duì)這些方法做了總結(jié)，第一個(gè)是技術(shù)的集成，將不同的滑坡研究理論應(yīng)用到一起，綜合解決問題。第二個(gè)是現(xiàn)代科學(xué)方法的引進(jìn)，通過對(duì)近些年來一些高效、先進(jìn)的算法進(jìn)行研究，融入滑坡模擬。本文就是在兩個(gè)方法的基礎(chǔ)上，綜合展開而來。

2 元胞自動(dòng)機(jī)模型

元胞自動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)末研究并快速發(fā)展起來的復(fù)雜科學(xué)模型，該模型由元胞組成；每個(gè)元胞在t時(shí)刻有一個(gè)狀態(tài)值，所有元胞分布在元胞空間里，根據(jù)定義的規(guī)則進(jìn)行周期轉(zhuǎn)換。大量的元胞在元胞規(guī)則多個(gè)周期約束下相互影響，構(gòu)成整個(gè)模型的運(yùn)行機(jī)制。

2.1 元胞自動(dòng)機(jī)在數(shù)學(xué)上的定義

2.2 元胞自動(dòng)機(jī)的組成

最簡(jiǎn)單的元胞自動(dòng)機(jī)模型由元胞、演化規(guī)則、鄰居以及元胞空間四塊組成，廣義上看，可以簡(jiǎn)單地描述為空間以及函數(shù)兩部分。

（1）元胞也叫作細(xì)胞，或單元，是CA模型的基礎(chǔ)。

（2）元胞狀態(tài)指在t時(shí)刻的狀態(tài)值，如在本次滑坡模擬中采用十進(jìn)制0、1、2來表示。

（3）元胞空間：元胞空間指元胞自動(dòng)機(jī)模型里各個(gè)元胞的空間網(wǎng)點(diǎn)集。

（4）鄰居的確定：元胞自動(dòng)機(jī)模型中，元胞下一時(shí)刻狀態(tài)是否改變，是自身與相鄰元胞狀態(tài)綜合決定的。

（5）確定元胞所有的演化規(guī)則以及規(guī)則約束下的狀態(tài)集合，兩者構(gòu)成了元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)函數(shù)。

（6）時(shí)間：元胞自動(dòng)機(jī)模型是一個(gè)非靜態(tài)模型，具有時(shí)空特征，模型在時(shí)間上的應(yīng)用具有離散型。

3 多因素元胞自動(dòng)機(jī)模型在滑坡上的應(yīng)用

本次滑坡模擬主要過程是把一個(gè)滑坡體劃分成一個(gè)個(gè)滑面，而每個(gè)滑面都是由一個(gè)個(gè)元胞空間組成，通過分析地理地質(zhì)因素的改變而影響的元胞以及元胞初始化。如：元胞摩擦角、元胞傾角以及粘聚力、土壤成分組成比等，例如其中土壤濕度、溫度等可以影響元胞粘聚力。

3.1 實(shí)施方法

具體實(shí)施中，將滑坡體的滑坡面進(jìn)行有效劃分成X*Y個(gè)元胞塊，每一個(gè)塊分別是一個(gè)滑坡體元胞，而對(duì)于每個(gè)滑坡體元胞又賦予他們?nèi)N狀態(tài)，有0狀態(tài)、1狀態(tài)、2狀態(tài)，三種狀態(tài)各自表示元胞處于空穴、實(shí)體顆粒以及空穴實(shí)體混合體，進(jìn)行滑坡實(shí)例到元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)象的等值轉(zhuǎn)換。在演化規(guī)則不斷約束運(yùn)行下，處于三種狀態(tài)的元胞不斷轉(zhuǎn)化，通過記錄0狀態(tài)元胞的數(shù)量以及位置，則可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行滑坡運(yùn)動(dòng)過程的模擬。

所以具體實(shí)施方法有以下步驟：

（1）制定滑坡元胞自動(dòng)機(jī)概念模型。根據(jù)規(guī)則確定滑坡體元胞空間以及元胞演化規(guī)則的定義，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模型其他部分內(nèi)容的填充；

（2）將滑坡體參與模擬的部分抽象成X*Y的元胞空間矩陣，X*Y個(gè)方塊表示整個(gè)滑坡體元胞。分析每個(gè)元胞在t時(shí)刻的狀態(tài)；

（3）按一定的概率分布，設(shè)置初始狀態(tài)每個(gè)元胞的初始能量；

（4）演化規(guī)則以及元胞鄰居的確定。根據(jù)滑坡模擬的力學(xué)、物理、人文知識(shí)確定演化規(guī)則，根據(jù)元胞鄰居定義標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)元胞的鄰居進(jìn)行標(biāo)記；

（5）通過對(duì)演化規(guī)則的分析以及對(duì)元胞空間的約束，讓整個(gè)模型進(jìn)行一個(gè)元胞周期的統(tǒng)一計(jì)算更新，然后重新定義或修改演化規(guī)則，重復(fù)上述過程，直至元胞空間開始穩(wěn)定。

所以滑坡元胞層的主要涉及對(duì)象主要包含兩個(gè)：

（1）第一個(gè)是滑坡體元胞的初始化：各元胞狀態(tài)所占比例以及分別進(jìn)行賦值，即計(jì)算滑坡智能模擬模型開始運(yùn)行時(shí)元胞空間中0、1、2狀態(tài)的元胞各占的比例需要考慮的對(duì)象：元胞空間組成。

（2）另一個(gè)是最終元胞自動(dòng)機(jī)模型的基本直接參與單位：滑坡元胞。

我們此次模擬用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行滑面等值轉(zhuǎn)換，通過把滑坡體的滑坡面進(jìn)行有效劃分成X*Y個(gè)元胞塊，每一個(gè)塊分別是一個(gè)滑坡體元胞。第一步為前期準(zhǔn)備工作、第二步為滑坡體區(qū)域矩陣化，這兩步都是前期準(zhǔn)備工作，可以算為通用步驟。第三步是按一定的概率分布設(shè)置在初始狀態(tài)每個(gè)元胞的初始能量，即0、1、2狀態(tài)的確定，接下來即通過轉(zhuǎn)換規(guī)則對(duì)滑坡元胞進(jìn)行轉(zhuǎn)換判定，從而得出整體元胞的狀態(tài)。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

前面已經(jīng)做好了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的鋪墊，包括概念模型與實(shí)施步驟，現(xiàn)在只需要建立一個(gè)合適的數(shù)據(jù)庫(kù)以及可視化平臺(tái)，即可以很好地進(jìn)行滑坡動(dòng)態(tài)模擬。本文采用VS2010平臺(tái)對(duì)該模型算法進(jìn)行編程測(cè)試，并進(jìn)行可視化展示。

（1）建一個(gè)小滑塊

創(chuàng)建一個(gè)小方塊元胞個(gè)體，該對(duì)象包括了形狀和剛體兩大部分。density與globalPose兩個(gè)分量分別表示密度和初始位置，而每個(gè)元胞滑塊初始化過程中又定義了大小，從而可以計(jì)算出質(zhì)量。

（2）建一個(gè)滑坡承載空間

一個(gè)滑坡承載空間，在本次模擬可視化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，是隨機(jī)生成一個(gè)平滑的曲面，兩頭高，中間凹陷進(jìn)去，有一定的蜿蜒起伏，組成整個(gè)滑坡承載空間的物質(zhì)有冰面materialIce，石頭materialRock，泥土materialMud，草地materialGrass，每個(gè)不同的組成都有不同的物理屬性。

經(jīng)過系統(tǒng)生成，我們可以得到如圖所示的滑坡體承載空間，可以看到，整個(gè)承載空間成起伏曲線狀，兩頭高、中間低，且下方有一處小平地，整個(gè)空間由灰色、褐色、綠色三種顏色組成、分別表示滑坡體承載體有泥土、石頭以及草地組成。

（3）滑坡初始化滑坡承載體建起以后，就是滑坡初始化過程，創(chuàng)建好了滑坡小滑塊以及滑坡體承載空間，就可以進(jìn)行滑坡可視化的模擬工作了，我們可以創(chuàng)建一個(gè)100*100的小滑塊滑坡元胞空間。下圖分別是正面圖與側(cè)面圖。

（4）經(jīng)過10000步的運(yùn)行，可以發(fā)現(xiàn)，滑坡運(yùn)動(dòng)過程基本趨于靜止，不再活躍，僅有極少部分的滑塊在做微小的移動(dòng)。

通過對(duì)滑坡具體實(shí)例所進(jìn)行編碼、模擬和有效性驗(yàn)證表明：本文介紹的多任務(wù)時(shí)空數(shù)據(jù)模型，能夠較好地描述實(shí)際滑坡作用過程，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過理論研究和開發(fā)，提出了一個(gè)可操作的基于元胞自動(dòng)機(jī)的滑坡模擬模型較好地解決了滑坡三維模擬中的時(shí)態(tài)性和可視化問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡過程及其時(shí)空特征的動(dòng)態(tài)模擬。通過具體的模擬實(shí)踐，驗(yàn)證了所提出的模型的合理性。

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