Hra života ve studiu šíření ohně
Hra života je matematický koncept vytvořený Johnem Conwayem v roce 1970. Tato hra je založena na celulárním automatu a zkoumá abstraktní modelování evoluce na dvourozměrné mřížce buněk. Jednoduchými pravidly „narození“ a „přežití“ se buňky na mřížce vyvíjejí, a tím vytvářejí zajímavé a komplexní vzory.
Základní verze hry má tato 4 pravidla:
- Každá živá buňka s méně než dvěma živými sousedy zemře.
- Každá živá buňka se dvěma nebo třemi živými sousedy zůstává žít.
- Každá živá buňka s více než třemi živými sousedy zemře.
- Každá mrtvá buňka s právě třemi živými sousedy oživne.
Tato pravidla jsou velmi jednoduchá, avšak výsledkem je komplexní systém vyvíjející se v čase. Postupem času vznikají různé tvary, které se dají rozdělit do 10 hlavních kategorií jako například:
- děla:
- nebo oscilátory:
Jaké další tvary může taková simulace vytvořit si lze prohlédnout například na Wikipedii.
Celulární automaty se dají využít pro různé účely jako třeba studium komplexních systému, zkoumaní samoorganizace chaotických struktur nebo třeba pro různé simulace biologických procesů. Dají se však také použít v oboru GIS, když si představíme, že rastr je reprezentací zemského povrchu.
S jedním nápadem prišla skupina bulharských vědců ve svém článku z roku 2022, ve kterém se snaží pomocí celulárních automatů simulovat šíření ohně v krajině. Jejich metoda je zaměřena především na zkoumání vlivu síly a směru větru. Například faktor změny nadmořské výšky je zde zanedbán, ačkoliv má na šíření ohně velký vliv.
Oproti hře života, kde existují pouze dva stavy pro buňku (živá/mrtvá), zde je definováno více variant. Nejdříve jsou nehořlavé povrchy: R − řeka, L − jezero a S − skalnatý nebo kamenitý povrch. Zbytek buněk má hodnotu 1−9, kde 1 náleží nízké vegetaci (tráva, izolované keře) a 9 odpovídá husté vysoké vegetaci (např. lesy).
A jak je definováno šíření ohně? To popisuje následující obrázek:
Na základě síly a směru větru je oheň rozšiřován do okolních buněk.
A jak oheň ovlivňuje buňky? Pokaždé, když se oheň dostane do buňky, tak její hodnota se zmenší o 1. Jakmile hodnota buňky klesne na nulu, tak místo je kompletně spálené a dále se s ním nic neděje.
Algoritmus končí stavem, kdy všechny buňky, které jsou dostupné šíření ohni, jsou ohodnoceny jako nula.
V tomto výzkumu byla metoda testována na skutečném požáru v Bulharsku v soutěsce Kresna 24.−29. srpna 2017. Lokalita převedena do gridu pro simulaci vypadá následovně:
Na obrázku je vidět bod vznícení − červená čtyřka v horní části rastru. Směr větru byl určen převážně jižním směrem. Simulace se nakonec dostala do bodu, kdy všechny buňky v gridu shořely. Ve střední části území se nachází řeka, kterou oheň překonal, díky silnému jižnímu větru, což je jedna ze zajímavostí tohoto procesu. Celá simulace má 22 iterací, tudíž to odpovídá délce 6 hodin na jednu iteraci. Podle autorů simulace výsledek tohoto modelování odpovídá reálnému šíření ohně v dané lokalitě.
Podrobné shrnutí výsledku procesu simulace a další zajímavé situace jsou podrobně popsány v článku.
Autoři také zveřejnili program, do kterého si můžete nahrát vlastní rastr s povrchem a poté spustit vlastní simulace. Ten je zveřejněný na stránkách tohoto projektu: https://forestfires.info/software/firegrid/
Autor článku: Jakub Šimek
