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1、浙 江 理 工 大 学毕业论文(设计)诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文(设计)，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文(设计)主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。声明人(签名)：年 月 日摘 要本文利用Java 作为编程语言，Java swing编写图形界面实现了生命游戏的可视化编程，并且在生命游戏的基础上进行了一定的扩展，增加了系统复杂性,给定了简单的初始状态以此进一步研究细胞自动机在复杂系统中所表现的能力，为细胞自动机及生命游戏的后续研究奠定基础。结论：计算机实现的细胞自动机在计
2、算机模拟的复杂系统中确实拥有复杂系统所表现出来的自适应性，不确定性等特性关键词：生命游戏；细胞自动机；复杂系统ABSTRACTUsing Java as a programming language, Java Swing as graphical interface to achieve a visual programming of the Game of Life. Expand the basis of the game of life, increased system complexity, given the simple initial state in order to fu
3、rther studythe demonstrated ability of cellular automata in a complex system, lay the foundation for the follow-up study of cellular automata and the Game of Life. Conclusion: The computer-implemented cellular automaton computer simulation of complex systems do have complex systems demonstrated by t
4、he self-adaptive, uncertainties and other characteristicsKeywords： Game of Life; Cellular Automata;Complex System目 录摘 要Abstract第一章 绪论11.1引言11.2生命游戏21.2.1什么是生命游戏21.2.2生命游戏、细胞自动机的研究意义2第二章 细胞自动机、生命游戏与复杂系统32.1复杂系统32.2细胞自动机4第三章 我的生命游戏的实现43.1 我的生命游戏与传统生命游戏的区别43.1.1传统生命游戏43.1.2我的生命游戏43.2 基本思想53.3 基本概念63.3.
5、1系统基本概念63.3.2个体基本属性73.3.3环境基本定义73.4 程序主流程83.5 核心算法介绍93.6 生物个体方法103.6.1生长103.6.2获取竞争力（竞争力基于个体所处环境）103.6.3繁殖（变异，进化）103.6.4获取所需食物量113.7 环境规则113.8 关键参数设置113.9 预测结果及理论分析123.10 运行结果及结论分析133.11 本文尚未完成部分17致 谢18参考文献19浙江理工大学本科毕业设计(论文)第一章 绪论1.1引言系统是由相互关联，相互制约，相互作用的部分所组成的具有某种功能的有机整体。按照系统的复杂程度，系统可分为简单系统和复杂系统。我们平
6、常大多研究的都是简单系统，因为简单系统一般可以被数学模型套用，从而进行研究，而复杂系统都难以用数学模型所表示。复杂系统是由具有许多不同状态的大量基本单元在非线性作用下形成的有机整体，其最大的特点是“复杂性”。复杂系统涵盖极广，几乎无处不在，如：生物系统、交通系统、经济系统、环境系统、生态系统、工程系统、社会系统和复杂工业生产系统等等。目前对于简单系统已有相应的研究方法，而且理论上也有了很大的进展。但由于复杂系统是涉及多个学科的一门崭新的科学，在20 世纪从未对其复杂性进行过系统深入的研究。研究复杂性的科学方法到底是什么，目前仍处于探索和研究之中。所以，复杂性科学将是21世纪的科学，是一门具有重
7、大理论及实际意义并亟待开展研究的崭新科学。至今，研究复杂系统常用的方法有试验数学方法、重正比群方法、散射反演方法、役使原理及细胞自动机方法。而细胞自动机方法是唯一一种根据复杂系统特点而设计出来的可在计算机上模拟的特殊方法。细胞自动机空间是离散的、时间是离散的、系统状态也是离散的，可以说细胞自动机是一种布尔化的离散的动力学系统。目前，细胞自动机已在复杂系统的研究中得到广泛应用，已成为以离散行为特点描述复杂系统行为的一种具有广阔发展前景的方法1。生命游戏是J.H.Conway 在20 世纪60 年代末设计的一种计算机游戏，是一个典型的细胞自动机模型，其演化规律近似地描述了生物群体的生存繁殖规律，吸
8、引了大量学者进行研究。如A.C. de la Torre4等研究了在周期型边界条件下，置入不同初始密度的活细胞时的演化规律；吴迪等从生命游戏的基本单元的演化着手，研究其复杂性2。生命游戏模型已在多方面得到应用。它的演化规则近似地描述了生物群体的生存繁殖规律：在生命密度过小（相邻细胞数3时），由于环境恶化、资源短缺以及相互竞争而出现生存危急，细胞状态值由1变为0；只有处于个体适中（相邻细胞数为2或3）位置的生物才能生存（保持细胞的状态为1）和繁衍后代（细胞状态值由0变为1）。正由于它能够模拟生命活动中的生存、灭绝、竞争等等复杂现象，因为得名“生命游戏”。J.H.Conway还证明，这个细胞自动机
9、具有通用图灵机的计算能力，与图灵机等价，也就是说给定适当的初始条件，生命游戏模型能够模拟任何一种计算机。1.2生命游戏1.2.1什么是生命游戏生命游戏其实是一个零玩家游戏。它包括一个二维矩形世界，这个世界中的每个方格居住着一个活着的或死了的细胞。一个细胞在下一个时刻生死取决于相邻八个方格中活着的或死了的细胞的数量。如果相邻方格活着的细胞数量过多，这个细胞会因为资源匮乏而在下一个时刻死去；相反，如果周围活细胞过少，这个细胞会因太孤单而死去。实际中，你可以设定周围活细胞的数目怎样时才适宜该细胞的生存。如果这个数目设定过高，世界中的大部分细胞会因为找不到太多的活的邻居而死去，直到整个世界都没有生命；
10、如果这个数目设定过低，世界中又会被生命充满而没有什么变化。实际中，这个数目一般选取2或者3；这样整个生命世界才不至于太过荒凉或拥挤，而是一种动态的平衡。这样的话，游戏的规则就是：当一个方格周围有2或3个活细胞时，方格中的活细胞在下一个时刻继续存活；即使这个时刻方格中没有活细胞，在下一个时刻也会“诞生”活细胞。在这个游戏中，还可以设定一些更加复杂的规则，例如当前方格的状况不仅由父一代决定，而且还考虑祖父一代的情况。你还可以作为这个世界的上帝，随意设定某个方格细胞的死活，以观察对世界的影响。生命游戏就是典型的二维细胞自动机。1.2.2生命游戏、细胞自动机的研究意义细胞自动机不仅可以在形式上作为并行
11、计算机的理论模型来研究，而且还可以作为语言（被机器接受的输入字的集合）识别器。一个语言被某种识别器所识别是指：识别器不仅接受该语言中的字，而且拒绝不属于该语言中的字。在维数高于1时，语言识别有时被看作模式识别。对于迭合自动机，如果每一时间步只输入一个字母，当字全部输完之后，如果输入输出细胞进入一个特别设计的接受状态，就认为它接受了这个字。语言的所有的字都被接受时就称为迭合自动机语言。类似地，棋盘格自动机和一维细胞自动机也可以用作语言接受器。用细胞自动机的并行计算方式可实现一些并行计算机和识别器的设计。细胞自动机对于集成电路的设计方法具有重要意义。大规模集成电路采用细胞阵列形式具有明显的优点。生
12、物学推动了有关自动机的理论研究。反过来，有关自动机理论的发展为生物发育学提供了一种数学模型和方法。细胞自动机论的研究与形式语言的研究更是息息相关，各种细胞自动机的识别能力，以及它们所能识别的各种语言类与各类形式语言之间的关系都还处于探讨中。另外，各种类型细胞自动机的性质，以及它们彼此之间的关系也都是人们关心的课题。第二章 细胞自动机、生命游戏与复杂系统2.1复杂系统 复杂系统是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。复杂系统是相对牛顿时代以来构成科学事业焦点的简单系统相比而言的，具有根本性的不同。简单系统它们之间的相互作用比较弱，比如封闭的气体或遥远的星系，以至于我们能够
13、应用简单的统计平均的方法来研究它们的行为。而复杂并不一定与系统的规模成正比，复杂系统要有一定的规模，复杂系统中的个体一般来讲具有一定的智能性，例如组织中的细胞、股市中的股民、城市交通系统中的司机，这些个体都可以根据自身所处的部分环境通过自己的规则进行智能的判断或决策。复杂系统的特性：1. 智能性和自适应性这意味着系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则，根据“环境”和接收信息来调整自身的状态和行为，并且主体通常有能力来根据各种信息调整规则，产生以前从未有过的新规则。通过系统主体的相对低等的智能行为，系统在整体上显现出更高层次、更加复杂、更加协调职能的有序性。2. 局部信息没有中央控制在复杂系统中
14、，没有哪个主体能够知道其他所有主体的状态和行为，每个主题只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息，处理“局部信息”，做出相应的决策。系统的整体行为是通过个体之间的相互竞争、协作等局部相互作用而涌现出来的。最新研究表明，在一个蚂蚁王国中，每一个蚂蚁并不是根据“国王”的命令来统一行动，而是根据同伴的行为以及环境调整自身行为，而实现一个有机的群体行为。另外，复杂系统还具有突现性、不稳性、非线性、不确定性、不可预测性等等特征。2.2细胞自动机细胞自动机的思想来源于生物发育过程中细胞的自我复制。50年代初，计算机创始人冯诺伊曼提出自生殖自动机，奠定了人工细胞自动机的理论基础；60年代后期，Conw
15、ay构造的能在个人家用电脑上运行的“生命游戏（LifeGame）”引起了人们对人工细胞自动机的关注。细胞自动机是由分布在规则网格中的每一个细胞取有限的离散状态，遵循确定的局部规则做出同步更新，即大量细胞通过简单的局部相互作用而构成的动力系统。不同于一般的动力学模型，细胞自动机不是由严格的物理方程确定，而是通过构造一系列模型的规则来实现的，这恰恰增强了其表达复杂关系的能力，为其在复杂性领域的应用奠定了基础1。细胞自动机的基本模型具有三个主要特点:（1）细胞自动机的高度离散性.（2）细胞自动机状态演化的同步性.（3）细胞自动机细胞相互作用的局部性.细胞自动机（cellular automata）为模拟包括自组织结构在内的复杂现象提供了一个强有力的方法。细胞自动机模型的基本思想是：自然界里许多复杂结构和过程，归根到底只是由大量基本组成单元的简单相互作用所引起。因此，利用各种细胞自动机有可能模拟任何复杂事物的演化过程。第三章 我的生命游
