元胞自动机介绍

网摘

元胞自动机(Cellular Automata，简称CA)，也有人译为细胞自动机、点格自动机、分子自动机或单元自动机，是一时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网(Lattice Grid)中的每一元胞(Cell)取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依据确定的局部规则作同步更新，大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。不同于一般的动力学模型，元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定，而是用一系列模型构造的规则构成。凡是满足这些规则的模型都可以算作是元胞自动机模型。因此，元胞自动机是一类模型的总称，或者说是一个方法框架，其特点是时间、空间、状态都离散，每个变量只取有限多个状态，且其状态改变的规则在时间和空间上都是局部的。

元胞自动机的构建没有固定的数学公式，构成方式繁杂，变种很多，行为复杂，故其分类难度也较大。自元胞自动机产生以来，对于元胞自动机分类的研究就是元胞自动机的一个重要的研究课题和核心理论，在基于不同的出发点，元胞自动机可有多种分类。其中，最具影响力的当属S.Wolfram在80年代初做的基于动力学行为的元胞自动机分类，而基于维数的元胞自动机分类也是最简单和最常用的划分。除此之外，在1990年，Howard A.Gutowitz提出了基于元胞自动机行为的马尔科夫概率量测的层次化、参量化的分类体系(Gutowitz, H. A. ,1990)。下面就上述的前两种分类作进一步的介绍。同时就几种特殊类型的元胞自动机进行介绍和探讨S.Wolfrarm在详细分忻研究了一维元胞自动机的演化行为，并在大量的计算机实验的基础上，将所有元胞自动机的动力学行为归纳为四大类(Wolfram. S.,1986)：

(1)平稳型：自任何初始状态开始,经过一定时间运行后，元胞空间趋于一个空间平稳的构形，这里空间平稳即指每一个元胞处于固定状态。不随时间变化而变化。

(2)周期型：经过一定时间运行后，元胞空间趋于一系列简单的固定结构(Stable Paterns)或周期结构(Perlodical Patterns)。由于这些结构可看作是一种滤波器(Filter)，故可应用到图像处理的研究中。

(3)混沌型：自任何初始状态开始，经过一定时间运行后，元胞自动机表现出混沌的非周期行为，所生成的结构的统汁特征不再变止，通常表现为分形分维特征。

(4)复杂型：出现复杂的局部结构，或者说是局部的混沌，其中有些会不断地传播。

从另一角度，元胞自动机可视为动力系统，因而可将初试点、轨道、不动点、周期轨和终极轨等一系列概念用到元胞自动机的研究中，上述分类，又可以分别描述为(谭跃进，1996；谢惠民，1994；李才伟、1997)：

(1)均匀状态，即点态吸引子，或称不动点；

(2)简单的周期结构，即周期性吸引子，或称周期轨；

(3)混沌的非周期性模式，即混沌吸引子；

(4)这第四类行为可以与生命系统等复杂系统中的自组织现象相比拟，但在连续系统中没有相对应的模式。但从研究元胞自动机的角度讲，最具研究价值的具有第四类行为的元胞自动机，因为这类元胞自动机被认为具有“突现计算”(Emergent Computation)功能，研究表明，可以用作广义计算机(Universal Computer)以仿真任意复杂的计算过程。另外，此类元胞自动机在发展过程中还表现出很强的不可逆(irreversibility)特征，而且，这种元胞自动机在若干有限循环后，有可能会“死”掉，即所有元胞的状态变为零。

元胞自动机的应用

元胞自动机可用来研究很多一般现象。其中包括通信、信息传递(Communication)、计算(Compulation)、构造 (ConsTruction)、生长 (Growth)、复制 (Reproduction、竞争(Competition)与进化(Evolution)等(Smith A.,1969;Perrier,J.Y.,1996)。同时。它为动力学系统理论中有关秩序 (Ordering)、紊动 (Turbulence)、混沌 (Chaos)、非对称(Symmetry-Breaking)、分形(Fractality)等系统整体行为与复杂现象的研究提供了一个有效的模型工具 (Vichhac.G,1984; Bennett,C,1985)。

元胞自动机自产生以来，被广泛地应用到社会、经济、军事和科学研究的各个领域。应用领域涉及社会学、生物学、生态学、信息科学、计算机科学、数学、物理学、化学、地理、环境等。

在社会学中，元胞自动机用于研究经济危机的形成与爆发过程、个人行为的社会性，流行现象，如服装流行色的形成等。

在生物学中，元胞自动机的设计思想本身就来源于生物学自繁殖的思想，因而它在生物学上的应用更为自然而广泛。例如元胞自动机朋于肿瘤细胞的增长机理和过程模拟、人类大脑的机理探索(Victor.Jonathan.D.,1990)、爱滋病病毒HIV的感染过程(Sieburg，H.B.,1990)、自组织、自繁殖等生命现象的研究以及最新流行的克隆 (Clone)技术的研究等 (ErmentroutG.B.,1993)。

在生态学中，元胞自动机用于兔子-草，鲨鱼-小鱼等生态动态变化过程的模拟，展示出令人满意的动态效果；元胞自动机还成功地应用于蚂蚁、大雁、鱼类洄游等动物的群体行为的模拟；另外，基于元胞自动机模型的生物群落的扩散模拟也是当前的一个应用热点。

在信息学中，元胞自动机用于研究信息的保存、传递、扩散的过程。另外，Deutsch(1972)、Sternberg(1980)和Rosenfeld(1979)等人还将二维元胞自动机应用到图像处理和模式识别中 (WoIfram.S.,1983)。

在计算机科学中，元胞自动机可以被看作是并行计算机而用于并行计算的研究(Wolfram.S.1983)。另外。元胞自动机还应用于计算机图形学的研究中。

在数学中，元胞自动机可用来研究数论和并行计算。例如Fischer(1965)设计的素数过滤器(Prime Number Sieves)(Wolfram,S.,1983)。

在物理学中，除了格子气元胞自动机在流体力学上的成功应用。元胞自动机还应用于磁场、电场等场的模拟，以及热扩散、热传导和机械波的模拟。另外。元胞自动机还用来模拟雪花等枝晶的形成。

在化学中，元胞自动机可用来通过模拟原子、分子等各种微观粒子在化学反应中的相互作用，而研究化学反应的过程。例如李才伟 (1997)应用元胞自动机模型成功模拟了由耗散结构创始人I·Prgogine所领导的Brussel学派提出的自催化模型—Brusselator模型，又称为三分子模型。Y·BarYam等人利用元胞自动机模型构造了高分子的聚合过程模拟模型。

在环境科学上，有人应用元胞自动机来模拟海上石油泄露后的油污扩散、工厂周围废水、废气的扩散等过程的模拟。

元胞自动机作为一种动态模型，更多的是作为一种通用性建模的方法，其应用几乎涉及社会和自然科学的各个领域，随着研究的深入逐渐显示出它在各领域发挥的作用。