【元胞自动机】基于元胞自动机模拟风速影响的森林火灾模型含Matlab代码

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⛄ 内容介绍

1 算法原理

元胞自动机（Cellular Automaton）是一种离散空间和时间的建模方法，它由许多简单的自主单元（元胞）组成，通过在相邻元胞之间进行局部交互并根据一组事先定义好的规则进行状态更新来模拟系统的演化。

以下是元胞自动机的基本原理：

1. 空间离散：

   • 将系统的空间分割成离散的格子或网格。

   • 每个格子被称为一个元胞，每个元胞具有一定的状态。

2. 时间离散：

   • 将系统的时间划分为离散的步骤或代数，每个步骤为一个时间步。

   • 在每个时间步中，所有元胞同时更新其状态。

3. 元胞状态：

   • 每个元胞具有一定的状态可以是离散的、连续的或多维的。

   • 局部交互：

   • 元胞通过与其相邻元胞之间的局部交互来更新自身状态。

   • 交互可以基于固定的邻居关系或动态的局部拓扑结构。

4. 更新规则：

   • 元胞自动机需要定义一组更新规则，以确定元胞如何根据其当前状态和邻居状态进行。

   • 更新规则可以是基于布尔逻辑概率分布等。

5. 系统演化：

   • 在每个时间步中，按照更新规则，所有元胞同时进行状态更新。

   • 元胞的新状态将被用于下一个时间步。

通过上述原理，元胞自动机能够模拟和研究具有复杂空间态性质的系统，如生物群体行为、生态系统演变、传染病传播等。通过调整元胞自动机的初始状态、更新规则和交互方式，可以观察到系统的演化和行为特征，并进一步探索系统级别的规律和现象。

2 算法流程

基于元胞自动机模拟风速影响的森林火灾模型可以通过以下步骤来实现：

1. 定义元胞和邻居关系：

   • 将森林区域划分为一个二维网格，每个网格单元被称为一个元胞。

   • 确定元胞之间的邻居关系，如每个元胞周围的相邻元胞。

2. 初始化状态：

   • 为每个元胞设置状态变量表示空地、绿树或起火状态。

   • 根据初始条件，随机或指定某些元胞处于起火状态。

3. 更新规则：

   • 对于每个时间步，遍历整个森林区域并更新每个元胞的状态。

   • 对于绿树元胞，考虑邻居元胞的状态和风速等因素，决定是否传播火势。

   • 根据预定的传播规则，将起火的元胞的状态设置为起火状态。

4. 考虑风速：

   • 引入风速变量，并将其与传播规则相关联。

   • 风速较大时，可以使火势更快传播，并可能影响传播方向。

5. 迭代更新：

   • 重复执行更新规则，直到达到特定的停止条件（例如指定的时间步数或达到稳定状态）。

通过以上步骤，基于元胞自动机模型可以模势传播的影响。这种模型能够提供对不同参数和初始条件下火灾传播的模拟结果，并用于火灾控制和防范策略的制定和评估。

⛄ 部分代码

%矩阵中0代表空地，1代表绿树，2代表燃烧

%网格图中白色代表空地，绿色代表绿树，红色代表燃烧

%rule 1正在燃烧的树变成空格位；

%rule 2如果绿树格位的最近邻居中有一个树在燃烧，则它以蔓延概率变成正在燃烧的树；

%rule 3在空格位，树以概率p生长；

%% 准备和初始化

close all;

clc;

clear;

figure;

p=0.001;%s生长概率

f=0.01;%着火概率

M=50;%森林大小

T=100;%运行步数

%蔓延概率

p0=0.3;%风力影响

a=pi/4;%风向夹角

q=1;%计算概率时的临时变量初值

⛄ 运行结果

⛄ 参考文献

[1] 张明程.宽带阵列信号波达方向估计算法研究[D].哈尔滨工程大学[2023-06-20].

[2] 黄华国.基于3D元胞自动机模型的林火蔓延模拟研究[D].北京林业大学,2004.

[3] 宋卫国,范维澄,汪秉宏.有限尺度效应对森林火灾模型自组织临界性的影响[J].科学通报, 2001, 46(21):5.DOI:CNKI:SUN:KXTB.0.2001-21-018.

[4] 朱连熙,颜康龙,罗嘉俊.基于森林火灾的多类型无人机布局与控制方法[J].科技与创新, 2021(23):2.

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