元胞自动机与计算机模拟

元胞自动机是时间和空间都离散、物理参量只取有限数值集的物理系统的理想化模型，在该系统中每个元胞都具有其内在状态，并由有限数量的信息位组成：近年来，元胞自动机模型应用于各个领域，特别在计算机模拟中取得了较大进展。本文将从介绍元胞自动机理论入手，探讨元胞自动机技术应用于计算机模拟。     

元胞自动机与计算机模拟

元胞自动机是时间和空间都离散、物理参量只取有限数值集的物理系统的理想化模型,在该系统中每个元胞都具有其内在状态,并由有限数量的信息位组成。近年来,元胞自动机模型应用于各个领域,特别在计算机模拟中取得了较大进展。本文将从介绍元胞自动机理论入手,探讨元胞自动机技术应用于计算机模拟。     

基于元胞自动机法的晶粒长大模拟

采用元胞自动机（Cellular Automata，简称CA）法对晶粒长大过程进行了计算机模拟和分析．模拟结果表明，CA法能够较好地模拟晶粒长大过程，所反映的晶界迁移规律及其拓扑特征符合晶粒长大的物理机制，是一种简便、有效的模拟方法．     

元胞自动机交通流混合模型的研究

在一维元胞自动机交通流NS模型、FI模型和VDR模型的基础上,考虑不同车辆的驾驶员具有其个性的驾驶方式和习惯,具体表现在不同的驾驶员采用适合于自己行车规则的交通流模型在道路上驾车行驶,从而分别对道路上不同车辆的驾驶员按NS模型和FI模型、NS模型和VDR模型、FI模型和VDR模型的混合驾驶进行了研究和讨论。结果表明,FI-VDR的混合模型更能反映道路畅通、车流增大及描述交通流的复杂非线性现象。     

基于FVD模型的各异性跟驰模型

基于不同气质类型驾驶者的行为差异分析,建立了跟驰模型参数与驾驶人气质状况之间的关系,通过引入气质激进度变量,将跟驰模型参数表达为气质激进度的函数,并在改进FVD模型的基础上,提出了体现驾驶人行为差异的各异性跟驰模型。该模型克服了传统规范模型无法描述驾驶者个体行为差异的缺点。数值模拟实验结果表明该模型能够成功地模拟稠密交通流中小扰动传播演化结果的随机性现象。该模型结构简单,且参数易于确定,一方面为驾驶行为各异性的建模建立了理论基础,同时也为微观交通流动态随机特性模拟提供了一般性的方法。     

一种基于2-by-n元胞自动机的高质量伪随机数发生器

为了满足密码学对高质量的随机序列的需求,提出一种新的基于2-by-n元胞自动机的伪随机数发生器.并着重于最大周期的要求,首先介绍了在细胞自动机中与之相关的机制,随后给出了基于2-by-n CA的二维梯形伪随机数发生器,详细说明了该发生器的规则及最大周期.最后使用该发生器产生用于测试的伪随机序列.计算机模拟表明,提出的二维梯形伪随机序列发生器产生的伪随机序列完全可以通过FIPS 140-2测试标准,证明该发生器具有良好的统计特性,完全可以应用于密码学领域.     

基于元胞自动机法的晶粒长大模拟

采用元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)法对晶粒长大过程进行了计算机模拟和分析.模拟结果表明,CA法能够较好地模拟晶粒长大过程,所反映的晶界迁移规律及其拓扑特征符合晶粒长大的物理机制,是一种简便、有效的模拟方法.     

基于车辆实际性能的元胞自动机模型

针对既有的元胞自动机模型对各类车辆的实际性能考虑不够,造成模型表现为混合交通特性准确性不高的缺陷,设计了一套改进的NS模型.该模型考虑了行人、自行车、小车、大车的实体大小,安全间距,最大速度,适用加速度,反应时间以及可能移动的最大距离等特性,并在计算机上编程实现了模型.运用该模型对信号交叉口处混合车流的排队消散情况进行了分析,采用车辆依次通过停车线的车头时距对模型的准确性进行了评价,并对不同大车比例下混合交通的平均车头时距进行了分析.输出结果与交叉口实际调查数据的对比显示:车头时距数值与实际情况吻合良好,得到的大车对小车换算系数为2.04.     

基于一维元胞自动机的可变时距跟车模型

依据不间断车流的车头时距分布规律和一维元胞自动机建模理论，提出了一种可变时距跟车模型.该模型假定行驶车辆都趋向于保持一个期望的车头时距，通过对前车速度和车头间距的估计，并考虑随机减速的影响对车速进行同步更新.基于该模型建立的仿真系统，凭借两个简单的参数来调节不同车速的期望车头间距，使车头时距分布规律符合交通未饱和时车头时距的具体分布情况，从而能够描述多车道公路上比较复杂的交通状况，表示不同道路等级的通行能力     

基于可逆元胞自动机的图像加密算法

提出一种基于一维可逆元胞自动机（RCA）的新的图像加密算法,算法中可逆元胞自动机（RCA）规则和随机数据的应用使得图像具有更高安全性。可逆元胞自动机（RCA）加密算法将已知灰度图像变为二值图像,然后将其数据重新排列成一0-1序列,应用可逆元胞自动机（RCA）规则实现图像加密。灰度图像加密的仿真结果表明所提出的算法满足混合特性和扩散特性,一般的解密算法根本不可能对这种加密图像解密。     

细胞自动机原理及其在混凝土碳化模拟中的应用

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.算例分析表明:细胞自动机能较好地模拟混凝土碳化的演变过程,由CO2粒子在细胞间的随机扩散导出的局部规则在宏观上符合Fick第二扩散定律,通过进一步的扩展,将能对碳化过程中更为复杂的现象进行模拟.     

基于局部信息的Agent元胞自动机设计

复杂性研究不仅是工程、科学各学科，也是管理学科的一个重要研究领域。由于管理科学本身的复杂程度其每个单元都构成一个具有自主能力的Agent；而且必须考虑到实际的Agent是基于局部信息的（完全信息条件可以看作局部信息的一种特殊情况），因此有必要开展对建立基于局部信息的Agent元胞自动机设计方法的广泛研究。本文从冶金物理化学中Gibbs自由能方法开始，在用于金属凝固过程模拟方法的基础上，推导出在管理科学中适用的评价函数方法，及其应用方法。     

交通流元胞自动机模型中慢化行为

根据司机加速和减速过程的不同特性,提出了一个改进的交通流元胞自动机模型。数值实验表明,该模型可以满意地刻画司机学习效应对行车过程的实时影响,说明引入强化学习机制可以更好地再现多种复杂交通现象。     

考虑前后车辆综合效应的跟驰模型及其稳定性分析

为了进一步增强车流的稳定性,通过分析后视效应和前车优化速度差信息的综合作用,在FVD模型基础上,建立新的BL＆OVD模型．通过线性稳定性分析,得到新模型的稳定性判据．采用非线性分析方法,推导出mKdV方程用于描述系统临界稳定点附近的交通拥塞演变规律．数值仿真结果表明,综合考虑后视效应和最优速度差信息能有效抑制车流随机干扰信号在车流中传播放大,提高车流稳定性,从而舒缓交通拥堵．该模型对车流有进一步的致稳作用,有助于车辆自动驾驶系统中驾驶策略的设计．     

信号交叉口人车交互运行元胞自动机模型构建

为了确定过街设施的形式,分析了十字信号交叉口行人步行速度及机动车排队净空间距、转向车头时距等交通运行特性,通过对人车冲突行为调查与分析,构建了行人过街可插间隙选择概率模型.以人车交互运行特性为理论基础,建立了双向6车道行人正向前进、避让、侧向前进和机动车停车线前慢启动跟驰、停车线后转向跟驰、目标车道选择规则,引入了人行横道处行人和机动车冲突判定选择规则,将行人过街规则和机动车通行规则进行了叠加,构建信号交叉口人车交互运行元胞自动机模型.以主主相交的双向6车道十字信号交叉口为例,分析了采用行人过街专用信号相位和立体过街设施形式的适用性.结果表明:当交通量不小于4 500 pcu·h-1、右转车比例不小于70%、信号周期不小于90 s、左转相位绿信比不小于50%、行人流量不小于2 700人·(h·m)-1时,应采用立体过街设施形式.     

基于人工势场与细胞自动机的移动机器人路径规划算法

提出了一种基于细胞自动机（Cellular Automata,CA）和人工势场的全向移动机器人路径规划算法,并通过一个4层的细胞自动机模型实现了该算法。通过构造扩张的障碍占位网格地图可在规划算法中将机器人简化为一个点,然后通过建立数值化的障碍人工势场图来考虑障碍物的局部影响,并使用CA模型得到距离传播图,最后通过搜索势场超曲面的最小值获得从起始点到目标点的最优无碰撞路径。仿真结果表明,提出的算法可以获得最优无碰撞路径,最优路径足够光滑且与障碍有较大的安全距离,便于全向移动机器人跟踪。     

基于元胞自动机的自行车交通流仿真建模

提出了一种自行车元胞自动机模型.该模型是在机动车Nagle-schreckenberg(NS)模型的基础上,考虑自行车的换道行为,在NS模型规则前加入路径选择规则,从而建立符合自行车行驶行为的模型.根据模型的规则,在不同最大速度、不同随机慢化概率、不同车道宽度等条件下进行了仿真分析,其通行能力及速度-密度仿真曲线均符合...     

基于遗传元胞机的多态性作业车间布局建模

针对多态性作业车间布局问题,根据车间物流关系和二维空间约束条件,构建车间元胞机框架模型,并且引入遗传算法优化模型当中的自组织演化规则,最终建立多态性作业车间布局遗传元胞机模型.采用系统布置设计方法求取布局方案的初始解,在保证初始解有效性的基础上提高算法的寻优速度和精度,以物料搬运费用最小、车间面积利用率和设备平均利用率最大为模型多目标函数.通过实例验证了遗传元胞机模型求解多态性作业车间布局的可行性与实用性.