元胞自动机在矿山地质灾害预测中的应用

摘要：元胞自动机是一种非常复杂的用于科学研究的工具，本文主要通过对于元胞自动机的介绍和分析，简单介绍了其基本的工作原理和使用方法，并阐述了元胞自动机在矿山地质灾害的预测当中的实际应用方法和研究。通过复杂的科学理论，对于元胞自动机在地质灾害预测当中的使用价值进行了一定论证，总结了元胞自动机在矿山地质灾害预测当中的基本应用，着重分析了元胞自动机在针对矿山地质灾害当中的滑坡、地下水渗透以及岩爆等几项主要地质灾害。

Abstract： The cellular automaton is a very complex tool for scientific research， and this paper mainly through the introduction and analysis of cellular automata， briefly introduces its basic principle and use method， and expounds the application methods and research of cellular automata in the prediction of mine geological hazards. Through the complex science theory， certain demonstration about the use value of cellular automata in geological hazard prediction has been conducted， the basic application has been summarized， and it focuses on the analysis of the cellular automata aiming at the mine geological disasters such as the landslide， automaton penetration， rock burst.

关键词：元胞自动机；矿山地质灾害；滑坡预测

Key words： cellular automata；mine geological hazard；landslide prediction

中图分类号：TU94+3.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）01-0114-02

0 引言

随着经济的发展，人们对于矿区的利用程度越来越高，在我国，一些主要矿区的矿物产品甚至成为了我国的支柱型产业。但是，矿山地质灾害会对人类的生命、财产以及生存环境造成巨大的破坏。矿山地质灾害系统是指当某个矿山区域内被认为可能发生，或者已经发生过一次或多次的地质灾害的地质类型，或者该区域地质类型的一部分与其周围所在的环境所构成的一个整体系统。通常来说，矿山地质灾害系统在时间上与空间上有着不确定性的特点，它可能是指某个单一的灾害，也有可能是几个灾害体复合在一起的一个灾害体体系。地质灾害系统是一个相对比较复杂的系统，具有着开放性、耗散性、分形性等众多复杂的特性，所以要做到对矿山地质灾害系统的灾害发生进行预测是比较困难的，不能仅仅依靠传统的研究方法。为了采用元胞自动机系统对矿山地质灾害进行科学合理的预测，本文针对元胞自动机的特点以及矿山地质灾害的特点进行了相关研究分析，解决了元胞自动机系统在解决矿山滑坡、地下水渗透、以及岩爆当中的应用问题。

1 矿山地质灾害系统的特征分析

1.1 多层次性与相互关联性 从矿山地质灾害系统的结构来说，矿山地质灾害系统的结构非常复杂，其内的子系统很多，且层次划分较多，结构功能综合性较强，所以矿山地质灾害系统的各个子系统之间的层次交错，具有联系性和相互作用，形成了一种非常复杂的联系。另外，这种复杂的联系不仅仅表现在矿山地质灾害系统的结构特征上，在其内容上也有所体现。从内容上来说，这些子系统的联系既可以是物质方面的联系，也可以是能量方面的联系，也可以是信息方面的联系。

1.2 影响因素多 地质灾害的形成会受到许多因素的影响，而各种影响因素所包含的表达形式种类也很多，所以就造成了地质灾害系统当中各种影响因素之间具有非常复杂的因果关系，从而导致地质灾害系统内的各种因素之间的关系层次不明朗。

1.3 地质灾害系统的不确定性 矿山的地质灾害系统属于一种不确定的灾害系统，这种非确定性主要表现在两大方面，一是其属于自然特征的表现形式，二是其也是人类对于地质灾害的认识程度的表现形式。一般来说，地质灾害系统的结构和层次都很模糊，对于其成灾原因难以进行预测。同时，对于成灾的类型、成灾的规模以及成灾后造成的后果都是模糊不清的。因为地质灾害系统的不确定性，所以在进行地质灾害系统研究时非常困难。

1.4 系统的开放性 地质灾害系统并不是单一的自然灾害，它是与人类以及社会相关联的一种复杂系统，这个系统是这三者之间能量、物质、信息的表现，所以其具有开放性，正是由于系统的开放性，所以导致了多种因素共同介入从而导致灾害的发生。

2 元胞自动机的研究分析

2.1 元胞自动机的概念和构成 元胞自动机是上个世纪50年代首次提出的，提出这一系统的是一名非常伟大的数学家冯诺依曼。冯诺依曼以计算机模拟生物繁殖为基础，定义一个在元胞空间上由离散、有限状态的元胞组成的并且按照一种规则在离散的时间维上进行演化的动力学系统。元胞自动机用属性符号来表达是：A=（Zn，S，N，F）。其中，元胞自动机系统用A来表示，Zn作为n的维欧空间，N作为元胞空间维数。元胞空间是指元胞所分布的空间网点的集合，这个空间既可以是一维的，也可以是多维的，同时，元胞空间可以划分为多种形式，一般最常见的是二维的元胞空间，所以常见的元胞自动机系统的网格图一般是三角形、正方形或者六边形等。

2.2 元胞自动机的特征分析

元胞自动机的框架结构较为简单，并且自身具有非常高的开放性，可以对系统行为进行非常复杂的模拟。从其自身的特性来分析，它具有以下特征形式：

①离散性。元胞自动机的时间、空间、状态都是处于一种离散形式，所以它具有非常开放的计算机接口。②空间性。元胞自动机的空间性主要表现在其按照栅格的单元空间来进行定义，所以元胞自动机能够与很多空间数据集来进行兼容，兼容性非常强。③高维数性。从动力角度讲，维数通常是指变量的个数，由于元胞自动机的变量可以说是无穷无尽的，所以元胞自动机的维数也是无穷无尽的。元胞自动机的维度原理示意图如图1、图2所示。④同步性。元胞自动机的每个元胞都遵守各自不同的规则但是却同步进行运行，所以可以将其状态的变化认为是一种对于数据信息的处理，这种处理或者说计算也是同步的。⑤简单性。通过元胞自动机元胞初始状态以及其周围的其他元胞的初始状态，就可以计算出这个元胞在下一刻的状态，这种计算形式相比于其他复杂的微分计算或者偏微分计算形式来说非常简单。⑥时空动态性。元胞自动机可以将系统的模拟在时间和空间上进行同步，这与传统的计算模型中，时间的模拟与空间的模拟分开进行是一种非常大的进步，可以有效提高模拟计算的效率和准确度。

2.3 元胞自动机的应用

对于元胞自动机的应用目前来说主要分为两个方面，一个是将其作为一种并行处理机制的模型，然后用于进行计算机的一些基本运算；一个是将其作为一个时间与空间综合的动态模型，用于对自然、经济、社会等一些复杂的系统进行模拟和预测。

3 元胞自动机在矿山地质灾害预测当中的应用分析

3.1 元胞自动机在滑坡中的预测应用 关于山体滑坡的预测在世界上也属于难度较高的课题研究，由于滑坡的预测要同时对时间和空间进行预测，所以想要准确地预测到滑坡的位置和时间是非常困难的。同时，滑坡系统是一个复杂的系统，其计算参数充满了不确定性与随机性，在与外界的环境发生能量交换或者物质交换的时候，其系统的计算参数又会进行不确定的变化。通常，当滑坡系统当中的各种因素的时间、空间以及功能结构等因素发生不平衡，从而导致滑坡的发生。针对滑坡的系统特征，可以将滑坡的逐渐滑动与其和时间的变化联系作为一个变量模型，结合滑坡的类型以及地质结构，可以构建一种元胞自动机的预测模型，从而实现对于滑坡的预测。例如王晓峰等基于元胞自动机系统，对矿区发生滑坡灾害的相关内容进行了研究和预测。

3.2 元胞自动机在地下水渗透中的预测应用 在传统的地下水位预测当中，通常会采用力学的原理来构建一种数学的预测模型，然后将一些测量值输入其中，进行计算，从而完成对地下水位的预测。但是由于地下水位的变化受到多种因素的影响，其系统模型具有相当的复杂性，单一、固定的数学模式是很难对其进行准确的预测的。另外，单一的数学模型对于地下水位的变化过程也难以通过数据进行反映。根据地下水位预测的特点，确定元胞自动机的预测模拟可以对其进行较好的预测，从元胞自动机的特性上来说，元胞自动机的预测模型属于一种方法的框架，所以只要在元胞自动机的框架下按照地下水位变化的特性设计出一种以元胞从局部到整体来进行地下水渗流的模拟演化，就可以对地下水位的变化以及动态变化过程进行模拟和预测，从而达到预防地下水渗透的地质灾害。

3.3 元胞自动机在岩爆当中的预测应用 岩爆属于岩体破坏的一种，通常是由于在开挖过程当中，其内部的较高的应力或者其自身的平衡被顺便打破，能力瞬间释放，从而导致开挖处的岩石猛烈地从母岩当中弹射而出，造成巨大的经济损失和人员伤亡。岩爆属于一种力学的变化形式，一般来说，岩爆多发于隧道工程建设和矿山工程当中，且开挖深度越大，岩爆的发生频率越高。从力学角度讲，岩爆的发生主要受到两方面力的影响，一是岩石岩体自身的应力，岩石完整、坚硬，同时又有具有弹性，自身应力足够大，二是岩石周围的山体或者岩石对于岩石有足够大的切向应力，二者结合就有可能造成岩石发生岩爆。根据岩爆的系统特性，元胞自动机的特征可以对岩爆进行预测模型的建立，通过对于岩石的不连续性、非均质性等特性，可以通过元胞自动机在时间和空间上对于岩爆发生的时间和地点进行预测。

4 结束语

总而言之，矿山地质灾害系统的变化具有非常复杂的特征。在对矿山地质灾害进行研究时，要根据其特点，选择适合的科学方法对其进行研究预测。元胞自动机作为一种可以用于复杂的时空动态演算预测的系统模型，对于特征复杂、且具有复合型影响因素的系统具有非常好的预测演算能力，所以元胞自动机在矿山地质灾害的预测当中具有非常好的应用和推广价值。

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