元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata，簡稱CA，也有人譯為細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、點(diǎn)格自動(dòng)機(jī)、分子自動(dòng)機(jī)或單元自動(dòng)機(jī))。是一時(shí)間和空間都離散的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng) (Lattice Grid)中的每一元胞(Cell)取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的作用規(guī)則，依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新。大量元胞通過簡單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動(dòng)力學(xué)模型，元胞自動(dòng)機(jī)不是由嚴(yán)格定義的物理方程或函數(shù)確定，而是用一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成。凡是滿足這些規(guī)則的模型都可以算作是元胞自動(dòng)機(jī)模型。因此，元胞自動(dòng)機(jī)是一類模型的總稱，或者說是一個(gè)方法框架。其特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，每個(gè)變量只取有限多個(gè)狀態(tài)，且其狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上都是局部的。
　　元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)建沒有固定的數(shù)學(xué)公式，構(gòu)成方式繁雜，變種很多，行為復(fù)雜。故其分類難度也較大，自元胞自動(dòng)機(jī)產(chǎn)生以來，對(duì)于元胞自動(dòng)機(jī)分類的研究就是元胞自動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的研究課題和核心理論，在基于不同的出發(fā)點(diǎn)，元胞自動(dòng)機(jī)可有多種分類，其中，最具影響力的當(dāng)屬S. Wolfram在80年代初做的基于動(dòng)力學(xué)行為的元胞自動(dòng)機(jī)分類，而基于維數(shù)的元胞自動(dòng)機(jī)分類也是最簡單和最常用的劃分。除此之外，在1990年，Howard A.Gutowitz提出了基于元胞自動(dòng)機(jī)行為的馬爾科夫概率量測(cè)的層次化、參量化的分類體系(Gutowitz, H. A. ,1990)。下面就上述的前兩種分類作進(jìn)一步的介紹。同時(shí)就幾種特殊類型的元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行介紹和探討S. Wolfrarm在詳細(xì)分忻研究了一維元胞自動(dòng)機(jī)的演化行為，并在大量的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將所有元胞自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)行為歸納為四大類(Wolfram. S.，1986):
　　(1)平穩(wěn)型:自任何初始狀態(tài)開始,經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)行后，元胞空間趨于一個(gè)空間平穩(wěn)的構(gòu)形，這里空間平穩(wěn)即指每一個(gè)元胞處于固定狀態(tài)。不隨時(shí)間變化而變化。
　　(2)周期型:經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)行后，元胞空間趨于一系列簡單的固定結(jié)構(gòu)(Stable Paterns)或周期結(jié)構(gòu)(Perlodical Patterns)。由于這些結(jié)構(gòu)可看作是一種濾波器(Filter)，故可應(yīng)用到圖像處理的研究中。
　　(3)混沌型:自任何初始狀態(tài)開始，經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)行后，元胞自動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出混沌的非周期行為，所生成的結(jié)構(gòu)的統(tǒng)汁特征不再變止，通常表現(xiàn)為分形分維特征。
　　(4)復(fù)雜型:出現(xiàn)復(fù)雜的局部結(jié)構(gòu)，或者說是局部的混沌，其中有些會(huì)不斷地傳播。從另一角度，元胞自動(dòng)機(jī)可視為動(dòng)力系統(tǒng)，因而可將初試點(diǎn)、軌道、不動(dòng)點(diǎn)、周期軌和終極軌等一系列概念用到元胞自動(dòng)機(jī)的研究中，上述分類，又可以分別描述為(譚躍進(jìn)，1996；謝惠民，1994；李才偉、1997)；
　　(1)均勻狀態(tài)，即點(diǎn)態(tài)吸引子，或稱不動(dòng)點(diǎn);
　　(2)簡單的周期結(jié)構(gòu)，即周期性吸引子，或稱周期軌;
　　(3)混沌的非周期性模式，即混沌吸引子;
　　(4)這第四類行為可以與生命系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)中的自組織現(xiàn)象相比擬，但在連續(xù)系統(tǒng)中沒有相對(duì)應(yīng)的模式。但從研究元胞自動(dòng)機(jī)的角度講，最具研究價(jià)值的具有第四類行為的元胞自動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@類元胞自動(dòng)機(jī)被認(rèn)為具有"突現(xiàn)計(jì)算"(Emergent Computation)功能，研究表明，可以用作廣義計(jì)算機(jī)(Universal Computer)以仿真任意復(fù)雜的計(jì)算過程。另外，此類元胞自動(dòng)機(jī)在發(fā)展過程中還表現(xiàn)出很強(qiáng)的不可逆(lrreversibility)特征，而且，這種元胞自動(dòng)機(jī)在若干有限循環(huán)后，有可能會(huì) "死"掉，即所有元胞的狀態(tài)變?yōu)榱恪?
　　 元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
　　元胞自動(dòng)機(jī)可用來研究很多一般現(xiàn)象。其中包括通信、信息傳遞(Communicahon)、計(jì)算(Compulation)、構(gòu)造 (ConsTruction)、生長 (Growth)、復(fù)制 (Reproductionj、競爭(Competition)與進(jìn)化(Evolutio，])等(Smith A.,1969;Perrier，J.Y.,1996)。同時(shí)。它為動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)理論中有關(guān)秩序 (Ordering)、紊動(dòng) (Turbulence)、混沌 (Chaos)、非對(duì)稱(Symmetry-Breaking)、分形(Fractality)等系統(tǒng)整體行為與復(fù)雜現(xiàn)象的研究提供了一個(gè)有效的模型工具 (Vichhac。G，1984; Bennett，C,1985)。
　　元胞自動(dòng)機(jī)自產(chǎn)生以來，被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域涉及社會(huì)學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地理、歹境、軍事學(xué)等。
　　在社會(huì)學(xué)中，元胞自動(dòng)機(jī)用于研究經(jīng)濟(jì)危機(jī)的形成與爆發(fā)過程、個(gè)人行為的社會(huì)性，流行現(xiàn)象，如服裝流行色的形成等。在生物學(xué)中，元胞自動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想本身就來源于生物學(xué)自繁殖的思想，因而它在生物學(xué)上的應(yīng)用更為自然而廣泛。例如元胞自動(dòng)機(jī)朋于腫瘤細(xì)胞的增長機(jī)理和過程模擬、人類大腦的機(jī)理探索(Victor.Jonathan.D.，1990)、愛滋病病毒HIV的感染過程(Sieburg，H.B.. 1990)、自組織、自繁殖等生命現(xiàn)象的研究以及最新流行的克隆 (Clone)技術(shù)的研究等 (ErmentroutG。B。，1993)。
　　在生態(tài)學(xué)中。元胞自動(dòng)機(jī)用于兔子-草，鯊魚-小魚等生態(tài)動(dòng)態(tài)變化過程的模擬，展示出令人滿意的動(dòng)態(tài)效果;元胞自動(dòng)機(jī)還成功地應(yīng)用于螞蟻、大雁、魚類洄游等動(dòng)物的群體行為的模擬;另外，基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的生物群落的擴(kuò)散模擬也是當(dāng)前的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)。在信息學(xué)中。元胞自動(dòng)機(jī)冉于研究信息的保存、傳遞、擴(kuò)散的過程。另外。Deutsch(1972)、Sternberg(1980)和Rosenfeld(1979)等人還將二維元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用到圖像處理和模式識(shí)別中 (WoIfram.S.，1983)。
　　在計(jì)算機(jī)科學(xué)中。元胞自動(dòng)機(jī)可以被看作是并行計(jì)算機(jī)而用于并行計(jì)算的研究(Wolfram.S.1983)。另外。元胞自動(dòng)機(jī)還應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究中。
　　在數(shù)學(xué)中，元胞自動(dòng)機(jī)可用來研究數(shù)論和并行計(jì)算。例如Fischer(1965)設(shè)計(jì)的素?cái)?shù)過濾器(Prime Number Sieves)(Wolfram,S.1983)。
　　在物理學(xué)中。除了格子氣元胞自動(dòng)機(jī)在流體力學(xué)上的成功應(yīng)用。元胞自動(dòng)機(jī)還應(yīng)用于磁場、電場等場的模擬，以及熱擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和機(jī)械波的模擬。另外。元胞自動(dòng)機(jī)還用來模擬雪花等枝晶的形成。
　　在化學(xué)中，元胞自動(dòng)機(jī)可用來通過模擬原子、分子等各種微觀粒子在化學(xué)反應(yīng)中的相互作用，而研究化學(xué)反應(yīng)的過程。例如李才偉 (1997)應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)模型成功模擬了由耗散結(jié)構(gòu)創(chuàng)始人I·Prgogine所領(lǐng)導(dǎo)的Brussel學(xué)派提出的自催化模型---Brusselator模型，又稱為三分子模型。Y·BarYam等人利用元胞自動(dòng)機(jī)模型構(gòu)造了高分子的聚合過程模擬模型，在環(huán)境科學(xué)上，有人應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)來模擬海上石油泄露后的油污擴(kuò)散、工廠周圍廢水、廢氣的擴(kuò)散等過程的模擬。
　　在軍事科學(xué)中，元胞自動(dòng)機(jī)模型可用來進(jìn)行戰(zhàn)場的軍事作戰(zhàn)模擬"提供對(duì)戰(zhàn)爭過程的aq理解（譚躍進(jìn)等，1996)。
　　元胞自動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)態(tài)模型，更多的是作為一種通用性建模的方法，其應(yīng)用幾乎涉及社會(huì)和自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。 與50位技術(shù)專家面對(duì)面20年技術(shù)見證，附贈(zèng)技術(shù)全景圖

總結(jié)

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