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【摘 要】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。
【关键词】细胞自动机技术；结构工程；应用现状
世界各国每年为各种结构的发展投入了大量的研究经费，通常每项工程结构的研究，其试验经费占全部经费的50%以上，进行了难以数计的试验，积累了浩瀚的试验记录。同时，对各种工程结构的实测也积累了大量的结构损伤和破坏的纪录。这些大量人力，物力和财力换来的宝贵的工程模型试验和工程结构实测纪录，归纳起来主要有两方面的用途：（1）试验和实测记录用来验证理论分析的精度；（2）试验和实测记录用来确定有关数学表达式中的参数值。
然而，当进行新的结构模型试验时，虽然互联网的发展和广泛科研合作与交流使人们能够获取大量过去的有关试验和实测资料，但是过去的试验和实测记录只是作为一种潜在的参考，并不能直接用来对新模型进行真正意义上的预测和分析，另一方面，实际结构的设计，检测，维修，改造和加固还没有充分地借鉴已有的试验和实测记录。这样，就造成大量的试验和实测记录中包含的结构性质与结构工作特性等等宝贵资源的巨大浪费。究其原因。主要在于目前还没有简便有效地分析技术，使人们能够从试验和实测记录中提取与模型有关的信息，对于新的模型预测出已有试验和实测记录的试验结果。从结构分析的角度来看，目前也没有分析方法能够直接地仅仅应用试验和工程结构的实测数据就能预测结构的反应。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，细胞自动机理论及其在复杂系统研究领域中的应用受到科学界的高度重视。这种应用在结构工程领域的人工智能技术，细胞自动机具有结构简单、并行计算能力强和易于在计算机上实现系统的可视化模拟等特点，它已成为复杂系统研究领域一种具有广阔发展前景的新方法。
1.1 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]。
1.2 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。
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参考文献：
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[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
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[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
作者简介：谷爽（1983——），女（汉），黑龙江，工程师，硕士，建筑结构设计
论文作者:谷爽
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第16期
论文发表时间:2016/8/16
标签：自动机论文; 细胞论文; 结构论文; 模型论文; 工程论文; 技术论文; 等人论文; 《低碳地产》2015年第16期论文;