CN108710718B - 基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法及系统，属于计算机处理技术领域，包括根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态；根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。本方案去除重叠面积对中心元胞的状态影响，提高了模拟模型的精度和合理性。

Description

基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机处理技术领域，特别涉及一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法及系统。

背景技术

我国南方广大地区多为丘陵地貌及山区，植被茂密，夏秋季节高温干旱，空气相对干燥。因农作物烽烧、“炼山”等不规范的人为及非人为因素很容易导致不同规模的山火，使得经过该地区的输电线路因山火灾害导致的跳闸事故频发。山火灾害已经成为影响输电线路安全运行的最严重的自然灾害之一，因而以提高电网对于山火灾害的预警及防护能力的各种研究，成为近年来的研究热点之一。

山火蔓延模拟仿真模型可以有效预防山火灾害，有助于及时扑救山火灾害，显著降低山火发生率及灾害所带来的损失，使得对山火蔓延模拟仿真建模受到了关注。元胞自动机是一种时间、空间离散且空间相互作用和时间因果关系都为局部的网格动力学模型。其具有的自组织特性能够较好地模拟复杂系统时空演化过程，因此被广泛应用于山火蔓延模拟。对于一个物理模型，元胞自动机用规则网络中的有限个离散的元胞描述物理状态，元胞以确定的局部规则同步更新，元胞之间通过转换规则的相互作用、相互联系，完成系统的动态演化过程。

现有基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法视各个邻域元胞对中心元胞的蔓延是独立的，不受其他邻域元胞蔓延的影响，即均未详细考虑元胞的邻域元胞的燃烧情况的不同。在实际应用中，多个邻域元胞同时燃烧时对中心元胞的蔓延面积不可避免会有重叠部分，从而可能重复计算了各邻域元胞的山火蔓延重叠区域面积，导致其对于山火蔓延的模拟精度偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法及系统，以提高山火蔓延的模拟仿真精度。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

采用一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法，包括：

根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。

进一步地，所述根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度，具体包括：

根据公式

计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度R，其中R为山火蔓延速度，R₀为山火初始蔓延速度，K_s为可燃物调整系数，K_w为风调整系数，

为坡度调整系数。

进一步地，所述的根据元胞的面积和元胞的燃烧面积，计算元胞的燃烧状态，包括：

根据状态计算公式，计算中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态

公式为：

式中，S_燃烧是中心元胞(i,j)燃烧的面积，S_元胞是中心元胞(i,j)的面积，若中心元胞的边长为a，则S_元胞＝a²，

表示t时刻中心元胞(i,j)未燃烧，

表示t时刻中心元胞(i,j)部分燃烧，

表示t时刻中心元胞(i,j)完全燃烧。

进一步地，所述根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分，包括：

根据两个元胞的位置，依据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则；

基于两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度和两邻域元胞的时间间隔，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

进一步地，在两个元胞的位置为相邻元胞时，所述根据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻元胞完全燃烧时，该两相邻元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

进一步地，在两个元胞的位置为次相邻元胞时，所述根据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i,j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

进一步地，所述基于设定的中心元胞的状态转换规则，包括：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j)上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

第二方面，采用一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统，包括蔓延速度计算模块、燃烧状态计算模块、蔓延面积重叠部分计算模块以及状态转换模块，蔓延速度计算模块、燃烧状态计算模块的输出端分别与蔓延面积重叠部分计算模块连接，蔓延速度计算模块、燃烧状态计算模块、蔓延面积重叠部分计算模块的输出端分别与状态转换模块连接；

蔓延速度计算模块用于根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

燃烧状态计算模块用于根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

蔓延面积重叠部分计算模块用于根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

状态转换模块用于基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。

进一步地，蔓延面积重叠部分计算模块包括相邻元胞计算单元和次相邻元胞计算单元；

相邻元胞计算单元用于在两个相邻元胞完全燃烧时，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分S_重叠，计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

所述次相邻元胞计算单元，用于在两个元胞的位置为次相邻元胞时，计算两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠，计算规则分别为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i,j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

进一步地，所述状态转换模块采用的基于设定的中心元胞的状态转换规则，包括：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j)上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

另一方面，采用一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统，包括存储器和处理器；

存储器，用于存储若干程序指令；

该若干程序指令适于由处理器加载并执行：

根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明建立元胞自动机邻域元胞蔓延重叠面积计算方法，并在元胞燃烧状态转换规则中增加了重叠面积。所建立的模拟模型可去除重叠面积对中心元胞的状态影响，提高了模拟模型的精度和合理性。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法的流程示意图；

图2是一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统的结构示意图；

图3是在无风、平坦、均质的情况别模拟30的山火蔓延情况得到的模拟法仿真结果；

图4是在无风、平坦、均质的情况别模拟60的山火蔓延情况得到的模拟法仿真结果；

图5是在有风、坡度、非均质情况下，取风向角为45度，模拟风速为0.5m/s的山火蔓延情况得到的模拟法仿真结果；

图6是在有风、坡度、非均质情况下，取风向角为45度，模拟风速为2m/s的山火蔓延情况得到的模拟法仿真结果。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法，包括如下步骤S101至S104：

S101、根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

S102、根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

S103、根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

S104、基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。

作为进一步优选的方案，上述步骤S101中，邻域元胞对中心元胞的蔓延速度的计算过程为：

根据公式

计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度R，其中R为山火蔓延速度，R₀为山火初始蔓延速度，K_s为可燃物调整系数，K_w为风调整系数，

为坡度调整系数，其中：

R₀＝bT+ch-D，

K_w＝e^0.1783Vcosθ，

式中：T为温度，h为日最小湿度，b、c、D为常数(b＝0.03、c＝0.01、D＝0.3)，V为风速，θ为蔓延方向与风向的夹角，g为坡向标志，当坡向为上坡时g＝0，当坡向为下坡时g＝1，

为坡度角。

需要说明的是，本实施例中考虑了温度、湿度、风速、风向、坡度以及可燃物种类影响，元胞通过转换规则相互作用、相互联系，所有场地的元胞作同步更新，完成系统的动态演化过程。

作为进一步优选的方案，上述步骤S102：根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞，以中心元胞的燃烧面积的计算为例，对元胞的燃烧面积的计算进行说明：

中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态

公式为：

式中，S_燃烧是中心元胞(i,j)燃烧的面积，S_元胞是中心元胞(i,j)的面积，若中心元胞的边长为a，则S_元胞＝a²，

表示t时刻中心元胞(i,j)未燃烧，

表示t时刻中心元胞(i,j)部分燃烧，

表示t时刻中心元胞(i,j)完全燃烧，只有元胞完全燃烧才向邻域元胞蔓延。

应当理解的是，相邻元胞和次相邻元胞的燃烧状态也可以套用上述燃烧状态计算公式得到。相邻元胞是中心元胞上、下、左、右这4个相邻元胞，次相邻元胞是中心元胞对角线方向上的4个次相邻元胞。

作为进一步优选的方案，上述步骤S103具体包括：

根据两个元胞的位置，依据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则；

基于两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度和两邻域元胞的时间间隔，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

需要说明的是，本实施例中两个元胞的位置包括相邻元胞和次相邻元胞两种情况：

在两个元胞的位置为相邻元胞时，根据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻元胞完全燃烧时，该两相邻元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

在两个元胞的位置为次相邻元胞时，所述根据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻的邻胞和次邻胞(即邻胞和次邻胞相邻)完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i，j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

作为进一步优选的方案，上述步骤S104中的基于设定的中心元胞的状态转换规则，具体为：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j)上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

如图2所示，本实施例公开了一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统，包括蔓延速度计算模块10、燃烧状态计算模块20、蔓延面积重叠部分计算模块30以及状态转换模块40，蔓延速度计算模块10、燃烧状态计算模块20的输出端分别与蔓延面积重叠部分计算模块30连接，蔓延速度计算模块10、燃烧状态计算模块20、蔓延面积重叠部分计算模块30的输出端分别与状态转换模块40连接；

蔓延速度计算模块10用于根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

燃烧状态计算模块20用于根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

蔓延面积重叠部分计算模块30用于根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

状态转换模块40用于基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。

进一步地，蔓延面积重叠部分计算模块30包括相邻元胞计算单元和次相邻元胞计算单元；

相邻元胞计算单元用于在两个相邻元胞完全燃烧时，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分S_重叠，计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

所述次相邻元胞计算单元，用于在两个元胞的位置为次相邻元胞时，计算两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠，计算规则分别为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i,j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长。

进一步地，所述状态转换模块40采用的基于设定的中心元胞的状态转换规则，包括：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j)上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

还公开了一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统，包括存储器和处理器；

存储器，用于存储若干程序指令；

该若干程序指令适于由处理器加载并执行：

根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态。

应当理解的是，本实施例公开的基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统中各模块的上述和其它操作和/或功能分别实现上述方法的相应流程，或者通过处理器执行上述方法中各步骤，为了简洁，此处不再赘述。

进一步地，为了验证上述方法及系统的有效性，通过建立考虑温度、湿度、风速、风向、坡度以及可燃物种类等影响因子的的仿真模型，由毛贤敏对王正非的修改模型求出山火蔓延速度，元胞通过转换规则相互作用、相互联系，所有场地的元胞作同步更新，完成系统的动态演化过程，过程如下：

选取正方形的场地，元胞边长设为2m，时间步长为0.5分钟，元胞个数为100×100，温度为30，相对湿度为0.3，由王正非初始蔓延速度计算公式，求得初始蔓延速度R₀＝0.6m/min。分别模拟无风、平坦、均质的情况和有风、坡度、非均质的情况。

(1)在无风、平坦、均质的情况，分别模拟30、60分钟的山火蔓延情况，下列图3、图4分别对应模拟60分钟、90分钟的山火蔓延结果。图3、图4中内侧的灰色线边界表示改进模型的山火蔓延边界，外侧的黑色线边界表示未改进模型的山火蔓延边界。由图3、图4可以看出，由本方案所得到的山火蔓延边界基本处于基于原来模型所得到的山火边界内，也就是证明原来的模型因重复计算了山火蔓延面积，而得到了过于冒进的山火蔓延面积。同时，也可以看出，本方案所得到的山火蔓延边界图形相对于基于原来模型所得到的山火边界图形更圆，畸变更小，随着模拟时间的增加，本方案所得到的山火蔓延边界及图形更符合实际，也更为有效。

(2)在有风、坡度、非均质情况下，取初始着火点元胞为(50,50)，分别模拟风速为1m/s和2m/s，风向角度为45，模拟时间为60分钟的山火蔓延情形。两种方法得到的山火蔓延边界如图5、图6所示。

图5、图6中内侧的灰色线边界表示改进模型的山火蔓延边界，外侧的黑色线边界表示未改进模型的山火蔓延边界。由图5、图6可以看出，由本方法所得到的山火蔓延边界基本处于基于原来模型所得到的山火边界内，也就是证明原来的模型因重复计算了山火蔓延面积，而得到了过于冒进的山火蔓延面积。随着风速的增加，山火蔓延的边界变的更扁。因此，本文方法所得到的山火蔓延边界及图形更符合实际，也更为有效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态；

其中，

所述根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分，包括：

根据两个元胞的位置，依据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则；

基于两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度和两邻域元胞的时间间隔，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

在两个元胞的位置为相邻元胞时，所述依据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则包括：

两个相邻元胞完全燃烧时，该两相邻元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长；

在两个元胞的位置为次相邻元胞时，所述依据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i,j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长；

所述基于设定的中心元胞的状态转换规则，包括：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j)上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

2.一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统，其特征在于，包括蔓延速度计算模块、燃烧状态计算模块、蔓延面积重叠部分计算模块以及状态转换模块，蔓延速度计算模块、燃烧状态计算模块的输出端分别与蔓延面积重叠部分计算模块连接，蔓延速度计算模块、燃烧状态计算模块、蔓延面积重叠部分计算模块的输出端分别与状态转换模块连接；

蔓延速度计算模块用于根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

燃烧状态计算模块用于根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

蔓延面积重叠部分计算模块用于根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，再基于两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度和两邻域元胞的时间间隔，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

其中，蔓延面积重叠部分计算模块包括相邻元胞计算单元和次相邻元胞计算单元；

相邻元胞计算单元用于在两个元胞的位置为相邻元胞时，且在两个相邻元胞完全燃烧时，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分S_重叠，计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长；

次相邻元胞计算单元，用于在而在两个元胞的位置为次相邻元胞时，计算以下情形的两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠，则计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i,j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长；

所述状态转换模块用于基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态，所述基于设定的中心元胞的状态转换规则，包括：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j)上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

3.一种基于元胞自动机的山火蔓延模拟仿真系统，其特征在于，包括存储器和处理器；

存储器，用于存储若干程序指令；

该若干程序指令适于由处理器加载并执行：

根据山火蔓延初始速度、可燃物调整系数、风调整系数以及坡度调整系数，计算邻域元胞对中心元胞的蔓延速度；

根据元胞的面积和当前时刻元胞的燃烧面积，计算当前时刻元胞的燃烧状态，该元胞包括中心元胞、相邻元胞和次相邻元胞；

根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

基于设定的中心元胞的状态转换规则，对邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧状态以及两邻域元胞蔓延面积的重叠部分进行处理，得到下一时刻中心元胞的燃烧状态，

其中，

所述根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度、元胞的燃烧面积和中心元胞燃烧转换时间步长，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分，包括：

根据两个元胞的位置，依据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则；

基于两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，根据邻域元胞对中心元胞的蔓延速度和两邻域元胞的时间间隔，计算两邻域元胞蔓延面积的重叠部分；

在两个元胞的位置为相邻元胞时，所述依 据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻元胞完全燃烧时，该两相邻元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

式中：

表示两相邻元胞中的一个元胞在t时刻的蔓延速度，

表示两相邻元胞中的另一个元胞在t时刻的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长；

在两个元胞的位置为次相邻元胞时，所述依 据两元胞的燃烧状态以及元胞的蔓延面积，确定两邻域元胞蔓延面积重叠部分的计算规则，包括：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻的邻胞和次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分不完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

两个相邻邻胞一个相邻次邻胞完全燃烧且邻胞蔓延面积重叠部分完全覆盖次邻胞蔓延面积时，两邻域元胞蔓延面积重叠部分S_重叠的计算规则为：

其中，

表示次邻胞在t时刻的蔓延速度，

表示邻胞在t时刻的蔓延速度，

分别为中心元胞(i,j)在t时刻向左下方元胞的蔓延速度，Δt表示元胞燃烧从t时刻至(t+1)时刻的时间步长；

所述基于设定的中心元胞的状态转换规则，包括：

式中：

为中心元胞(i,j)在(t+1)时刻的燃烧状态，

为中心元胞(i,j)在t时刻的燃烧状态，

分别是中心元胞(i,j) 上、下、左、右四个方向的相邻元胞，

分别是中心元胞(i,j)对角线方向上的四个次相邻元胞，Δt为中心元胞(i,j)从t时刻至(t+1)时刻的时间步长，a表示元胞的边长，S_重叠表示邻域元胞蔓延面积的重叠部分。

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