三維元胞自動機(jī)在溫濕度傳遞仿真中的應(yīng)用

陳歡

引言：元胞自動機(jī)在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，是一種具有較強(qiáng)專業(yè)性的算法，其發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷一定時期，并在這個過程中不斷得到完善，未來的應(yīng)用前景較為明朗。溫度和濕度是兩個重要的物理名詞，在現(xiàn)代各行各業(yè)中都發(fā)揮一定的作用，成為一些行業(yè)重點(diǎn)監(jiān)測和控制的指標(biāo)?；诖?，利用三維元胞自動機(jī)，對溫度的傳遞機(jī)制進(jìn)行模擬，有利于真實再現(xiàn)其傳遞過程中，進(jìn)而達(dá)到對其進(jìn)行控制的目的，具有重要的現(xiàn)實意義。本文針對元胞自動機(jī)進(jìn)行概述，針對基于三維元胞自動機(jī)的溫度場仿真展開討論，實現(xiàn)了基于三維元胞自動機(jī)的濕度場仿真，最后將室內(nèi)溫度和濕度仿真進(jìn)行結(jié)合，描述在同一元胞自動機(jī)系統(tǒng)中溫度與濕度之間互相影響的效應(yīng)。

前言：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對于內(nèi)部溫度和濕度的控制要求越來越嚴(yán)格。在這種情況下，溫度和濕度的傳遞過程進(jìn)行檢測，便能夠使得現(xiàn)實生活中的一些問題得到解決。溫濕度仿真模型能夠?qū)貪穸鹊膫鬟f信息進(jìn)行再現(xiàn)，使人們能夠較為直觀地研究其傳遞狀況。

一、元胞自動機(jī)概述

在一定的元胞空間中，處于一定準(zhǔn)則的控制下，在一定時間上針對仿真對象進(jìn)行演進(jìn)描述。元胞自動機(jī)在時間與空間上都具備一定的離散性。其基本單位是元胞，每個單獨(dú)個體都能夠代表一種狀態(tài)，其所具備的狀態(tài)必須在研究對象特性范圍限制之內(nèi)，比如13種顏色中的紅色等。這些具備各自狀態(tài)的元胞在準(zhǔn)則的限定下分布在元胞空間網(wǎng)絡(luò)之中，在時間的動態(tài)效應(yīng)作用下不斷發(fā)生變動。在細(xì)節(jié)方面，其能夠具備較為獨(dú)立的規(guī)則，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)隨其變化的目的，每一個個體都會受到周圍個體的擾動，進(jìn)而發(fā)生相應(yīng)的變化[1]。

針對上述內(nèi)容進(jìn)行分析可知，元胞自動機(jī)包括元胞、元胞空間、鄰域以及準(zhǔn)則等。由此可將其看作一種動態(tài)函數(shù)：

A=（d，S，N，f）

其中，A表示元胞自動機(jī)體系，d則代表其維度數(shù)，本文選用三維元胞自動機(jī)，因此，其中的d=3，S表示元胞不聚合狀態(tài)集，N則代表鄰域元胞集。元胞自動機(jī)在研究的過程中呈現(xiàn)出網(wǎng)格狀，在離散時間的作用下不斷推演，同組的元胞均處于同一取值范圍，個體在同樣的準(zhǔn)則作用下進(jìn)行變動。其雖然是在計算機(jī)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的構(gòu)建的抽象化模型，但是能夠在實現(xiàn)較為自由的描述。其可以用來描述數(shù)據(jù)傳遞、成長等[2]。

二.基于三維元胞自動機(jī)的溫度場仿真

為了實現(xiàn)研究的便利，需要對仿真場景進(jìn)行一定程度的抽象，確保研究順利進(jìn)行?？梢詫⒀芯繄鼍霸O(shè)定為陽光能夠進(jìn)行照射的密閉室內(nèi)，放置一盆植物，其成長為成熟狀態(tài)。

溫度的變化同時，熱量傳遞在進(jìn)行，具體的CA模型為該植物承受陽光照射，產(chǎn)生蒸騰耗能作用，陽光的長波輻射產(chǎn)生熱損耗，熱量傳導(dǎo)發(fā)生損失。植物產(chǎn)生的光合作用以及水汽凝成水滴等過程對溫度的影響過于細(xì)微，應(yīng)該運(yùn)用抽象方式將其進(jìn)行去除[3]。

可以將整個室內(nèi)視為一個元胞自動機(jī)體系，在陽光、地表面積等因素的作用下，在熱傳遞等規(guī)則的影響，在室內(nèi)這個元胞空間之中，隨著離散時間不斷向前推進(jìn)，室內(nèi)的各個元胞個體如果處于相鄰形式，則會在同一準(zhǔn)則體系的作用下發(fā)生相應(yīng)的變化。整個元胞自動機(jī)系統(tǒng)便會對各種因素的狀態(tài)變化進(jìn)行描述，闡述其對溫度變化的影響狀況，進(jìn)而描述整個室內(nèi)溫度的具體傳遞形式。

進(jìn)行仿真的過程中，需要將室內(nèi)的地面面積進(jìn)行確認(rèn)，室內(nèi)外溫度都需要進(jìn)行相應(yīng)的定位，按照測量方法針對室內(nèi)的空氣密度進(jìn)行測量。綜合以上因素便可以建立室溫的熱量傳導(dǎo)模型。進(jìn)而實現(xiàn)室內(nèi)溫度的仿真，對整個元胞自動機(jī)系統(tǒng)中的各個元胞個體對溫度的影響實現(xiàn)有效描述。

三、基于三維元胞自動機(jī)的濕度場仿真

首先需要確定室內(nèi)的濕空氣所處的具體狀態(tài)，其中包含溫度因素、含濕量等參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。具體來說，確認(rèn)濕度的方法可以通過固定的濕度測量方式，也可以利用數(shù)理方法，使用計算公式對室內(nèi)的濕度情況進(jìn)行公式描述。室內(nèi)存在一定水分，會在光照與溫度等因素的作用下發(fā)生變化，植物本身也很具有一定的水分，散發(fā)到空氣之中就會產(chǎn)生相應(yīng)的濕度添加值。可以將這些影響因素視為元胞個體，將室內(nèi)作為整個元胞自動機(jī)系統(tǒng)，在光照以及濕度傳遞機(jī)制等準(zhǔn)則的作用下發(fā)生濕度傳遞現(xiàn)象，隨著離散時間的變化，水汽等致濕物開始發(fā)揮作用，在陽光等條件的作用下發(fā)生蒸騰或者凝結(jié)作用，使室內(nèi)的濕度變大或變小，如果使用曲線進(jìn)行描述，則可以直觀地觀察到其變化狀況。進(jìn)而實現(xiàn)室內(nèi)濕度的仿真。

四、基于三維元胞自動機(jī)的室內(nèi)溫度和濕度仿真結(jié)合

室內(nèi)本身便是一個元胞自動機(jī)系統(tǒng)，其內(nèi)的所有要素都會在同一時間對其溫濕度產(chǎn)生重要的擾動作用，在這種情況下，室內(nèi)的各個元胞個體都在時間的作用下發(fā)生狀態(tài)變化，對室內(nèi)的溫濕度產(chǎn)生影響，在其綜合作用下，演繹出其各自的傳遞方式，并對彼此產(chǎn)生共同的影響。正常情況下，溫度較高，則濕度較低，反之則溫度較低濕度較高。由此可見，二者之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的態(tài)勢。很顯然，二者之間的傳遞影響因素中有一部分是重疊的，在元胞自動機(jī)系統(tǒng)則體現(xiàn)為元胞相同，對溫度傳遞產(chǎn)生作用的同時，也在對濕度的傳遞產(chǎn)生干擾作用。因此，在系統(tǒng)之中，二者之間聯(lián)系較為緊密，彼此交互影響。

事實證明，仿真模型能夠較為明確的描述溫度和濕度的具體變化情況，對真實場景變動起到較為精準(zhǔn)的描述作用。如果能夠?qū)ふ业脚c之相匹配的現(xiàn)實室內(nèi)，針對其進(jìn)行現(xiàn)實測量，所獲得的各種參數(shù)值與仿真模型所計算出的數(shù)值存在一定會的匹配度。誤差的存在難以避免，但是已經(jīng)可以將其控制在較小的范圍之內(nèi)，進(jìn)一步的證明了仿真模型建立的有效性，針對整個系統(tǒng)中的各個元胞進(jìn)行分析可知，其變化狀態(tài)能夠?qū)ΜF(xiàn)實狀況進(jìn)行較為良好的描述。

總結(jié)：三維元胞自動機(jī)能夠?qū)π畔鬟f、繁殖、傳播等過程進(jìn)行描述，具有重要的現(xiàn)實應(yīng)用意義。溫度場在許多機(jī)制的作用下，實現(xiàn)熱量的傳遞，針對其進(jìn)行仿真描述，能夠?qū)崿F(xiàn)對其控制。濕度與空氣中的水分存在一定的關(guān)聯(lián)，同時也與溫度保持一定的相關(guān)性，為二者的結(jié)合創(chuàng)造了一定的可能性。將二者同一在同一個元胞自動機(jī)系統(tǒng)之中，針對各個元胞個體對二者之間產(chǎn)生的擾動作用進(jìn)行描述，具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]提亞峰，董波，郭永輝，王婧超.C/E復(fù)合材料網(wǎng)格纏繞結(jié)構(gòu)三維建模與模具設(shè)計[J].宇航材料工藝.2010（04）：112-113.

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（作者單位：中南大學(xué)）