[发明专利]一种基于并行元胞自动机的城市演变模拟实现方法

说明书

技术领域

本发明属于利用元胞自动机进行大区域城市群土地利用演变的模拟技术领域。

技术背景

元胞自动机(Cellular Automata，简称CA)模型是由Ulam和Von Neumann于20世纪40年代提出的时间、空间、状态都离散，(空间的)相互作用及(时间上)因果关系皆局部的网格动力学模型。不同于一般的动力学模型，CA模型没有明确的方程形式，而是包含了一系列模型构造的规则。许多地理现象都属于复杂系统，无法利用数学公式对它们进行表达和模拟。研究结果表明，CA模型是对城市复杂系统进行微观模拟的有效手段。近年来，CA已经被较多地应用于地理现象的模拟中，特别用于城市土地利用变化模拟中，即城市CA。

城市CA是一种“自下而上”的微观模拟系统，模型中有大量的微观个体(元胞)，微观元胞之间的交互作用，是一系列的嵌套循环过程，导致其计算量非常庞大。并且，城市CA的计算量与研究区域的范围及空间数据的分辨率有很大的关系，随着研究区域范围的扩大和空间分辨率的提高，其计算量呈指数级增长。此外，地理空间系统是一个由多要素共同作用的，自然、社会和经济复合的、整体开放的复杂巨系统，城市CA作为其模拟的工具，涉及到大量的运算，这些模型和计算需要相互协作才能共同完成任务。地理现象的时空动态模拟涉及到大量数据的输入，譬如，土地利用数据、地形数据、政府规划数据、交通数据、社会经济数据、人口数据等。目前城市CA模拟基本上采用的都是在单个计算机上进行处理的办法，而上述原因导致城市CA模拟往往耗时过长，且无法胜任大范围的城市群模拟的任务，大大限制了城市CA在实际工作中的应用，而该方面的研究在国际上至今未有有效的解决方案，在国内仍为一片空白。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了并行式运算的城市CA，通过网络互联的计算机联合运算，解决城市CA速度瓶颈的问题，达到高效能空间计算的目标。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种基于并行元胞自动机的城市演变模拟实现方法，采用元胞自动机对城市的地理现象进行模拟，其发明点在于将元胞空间分解成多个子域，再将每个子域分发到每个分布式的处理器上进行处理，最后将所有处理器的运算结果合并成最终的模拟结果。

上述技术方案中，所述元胞空间建立在二维矩阵的空间上，元胞空间按行分解或按列分解成多个子域。

每一个子域包括一个或者多个相邻子域的边界层，子域设有边界缓器用来接受和发送数据给近邻子域。

所述子域分发到处理器上通过网络传输实现。

所述网络传输采用网络文件系统实现数据的共享和分发。

本发明采用消息模型为子域之间进行通讯。

进一步的，通过消息传递接口实现子域之间的通讯。

每个处理器在对子域进行计算的每次迭代后仅传输变化的数据以减少网络的开销。

本发明将并行处理技术应用于城市CA中，实验结果表明，该技术能够显著提高城市CA的模拟速度，达到预期的高效能空间计算目标。与普通的CA模拟实现相比，具有如下的优势：

1、并行城市CA通过局域网互联的集群系统进行并行计算，显著提高了模拟速度，使得以往耗时极长的模拟实验能够在较短的时间内完成，为研究者节约大量时间，也提供了更大的灵活性，使他们能够集中精力在模型建立、规则定义和参数校正上；

2、比串行城市CA更能胜任大范围区域的高精度模拟，它能够突破单机的内存限制，使系统更加稳定；

3、不需要运行在超级计算机上，能够运行在笔记本、普通PC、工作站和服务器上，这样一是充分利用各种闲置的资源，二是大大节约了硬件设备成本，促使并行CA投入实际使用。

附图说明

图1是影元胞技术实现示意图；

图2是元胞空间的域分解方式示意图，其中(a)为按行分解，(b)为按列分解；

图3为并行城市CA模型框架；

图4为结果示意图，其中(a)为并行城市CA的运算时长，(b)为加速比，(c)为效率。

具体实施方式