单轴散生竹地下根茎并行模拟仿真研究.pdf

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1、2014年4月农业机械学报第45卷第4期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．04．043单轴散生竹地下根茎并行模拟仿真研究水张云伟喻勇王大龙周旋王彦钧(1．昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650500；2．昆明理工大学现代农业工程学院，昆明650500)摘要：针对竹林地下根茎模拟仿真计算强度高、数据量大，在算法实现中采用基于单路处理器、串行计算的构架难以满足性能要求的问题，提出一种基于网络机群的多节点并行模拟仿真实现机制，构建了单轴散生竹地下根茎并行模拟仿真平台，主要由建模节点、任务管理节点、图形节点和网络交换机组成。以SimRoot模型为基础建

2、立单轴散生竹地下根茎生长模型，通过实验观察获取几何构型参数及生长参数。采用功能分解法对根茎生长建模计算进行任务分割，建立了相应的任务调度管理模式，设计了多节点并行生长建模机制。以金竹为例开展多节点并行仿真实验，实验结果表明基于网络机群的多节点并行模拟仿真在降低内存消耗、缩短仿真时间方面效果明显，对于较大规模的散生竹林地下根茎模拟仿真具有较好的适应性。关键词：单轴散生竹地下根茎并行仿真生长建模网络计算机群中图分类号：TP39；s714．7文献标识码：A文章编号：1000．1298(2014)04—0271—05的实现，建立并行化的竹林地下根茎动态仿真平台，引言充分利用多台计算机的运算能

3、力，提高仿真平台的研究表明，植被固土护坡是防止水土流失经济、处理能力和执行效率。有效、环保的措施之一。竹林是土壤侵蚀控制的重1单轴散生竹地下根茎生长模型要植被类型⋯，由于竹林地下根茎纷繁复杂，观察和实验困难，因此通过计算机数值仿真定量分析计SimRoot模型是一种在根系数据结构构建、构型算竹林地下根茎固土力学作用具有重要的研究价参数生长计算以及三维图形显示方面具有较好性能值。的根构型计算机模型。这一模型综合考虑了根的拓运用计算机模型开展植物根系生长模拟仿真研扑结构、根段的形态和半径、分枝间距和分枝角度究已有较长历史。早在20世纪70年代人们就开等，能模拟根系直径变化。因此，对于单轴散

4、生竹地发了模拟单条根二维生长的计算机模型，此后涌下根茎生长建模，本文以SimRoot模型为基础。现出许多不同的模型，如RootMap模型、Fitter模通常，单轴散生竹地下根茎主要由竹鞭和竹鞭型、L系统模型、SimRoot模型等。在国内，节上分出的鞭根构成。竹鞭上分节，鞭根茂密发达，采用L系统模型结合分形方法的研究较多。一级鞭根从鞭节处沿径向侧生，并可继续分枝生成目前，这些根系模拟仿真模型，在计算机算法实下级鞭根。本文以典型单轴散生竹——金竹地下根现中大多基于单路处理器、串行计算的构架，可以较茎为对象，通过野外自然生长状况下的实验观察好地满足单株植物根系模拟仿真需要。但在竹林地(土壤

5、含水率11％，土壤干密度1．28g／cm，气温下根茎固土力学作用数值仿真中，涉及到大量竹林22~C)和查阅资料文献得到的经验统计数据确定其边坡地下根茎模拟模型，将使数据量和计算量增加，鞭根系统的几何构型参数和生长参数，包括竹鞭节存在计算量大、效率低、实时性差等问题，串行算法长，竹鞭的轴向生长方向、轴向生长速率和径向生长难以满足这一需求，而传统的利用多处理器构成的速率，竹鞭岔鞭角度和岔鞭间距，鞭根的分枝角度和超级计算机过于昂贵。为此，本文基于价格低廉的分枝间距、轴向生长方向、生长速率和径向生长速网络计算机群系统，针对竹林地下多根茎模拟仿真率。通过观察统计得到这些构型参数的平均值及偏需要

6、，以SimRoot模型为基础，研究其并行仿真算法差范围，并利用曲线拟合的方法获取竹鞭、鞭根直径设计、仿真环境资源管理和作业任务分解调度机制与长度的数学关系。然后运用SimRoot模型适当改收稿13期：2013—10一O9修回日期：2013—12—16国家自然科学基金资助项目(31060118)和昆明理工大学校人才培养资助项目(2010—07)作者简介：张云伟，教授，主要从事精密测控技术研究，E—mail：zhangyunwei72@qq．com272农业机械学报进以反映竹鞭鞭节形状就可以建立单轴散生竹地下任务管理节点／用户交互模块根茎生长建模。用户登录创建仿真任务单轴散生竹鞭根系统的

7、生长除了受植物本身特数据传输性的影响外，还受到环境因子的影响，如土壤含水等待结果率、土壤干密度、土壤pH值、氮磷钾等养分含量、气温和光照等。受客观条件的限制，还难以建立各种形节点环境因子对鞭根生长影响的定量数学模型。但考虑形绘制渲染模块绘图指令识别到不同环境因子对鞭根系统生长的影响会在其几何指令参数匹配构型参数及生长参数方面表现出差异性，因此尽管绘图指令执行图形结果显示尚不完善，但通过实际实验观察得到几何构型参数及生长参数，并构建根系生长模拟模型，可以在一