Моделирование пространственного развития инвазий в дискретной среде
Автор: Переварюха Андрей Юрьевич
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Моделирование, информатика и управление
Статья в выпуске: 1 т.23, 2020 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается проблема моделирования процессов биологических инвазий в пространстве с применением нового алгоритма размножения и гибели составляющих популяции отдельных клеток. Включение в непрерывную модель запаздывания 𝑥(𝑡 - ) - очевидный способ разнообразить варианты поведения траектории, не расширяя структуру и не увеличивая размерность фазового пространства. Использование популяционных моделей с отклоняющимся аргументом 𝑥˙ = 𝑟𝑓(𝑥 - ) - Ψ(𝑥𝑘(𝑡 - )) в некоторых случаях не следует реалиям. Явная форма запаздывания пригодна для включения в феноменологические модели быстро созревающих видов. Актуальна пространственная модель, где временные факторы смогут задаваться наглядно. Цель работы - исследовать алгоритм преобразования состояния клеток в пространстве квадратной решетки и получить нестационарную динамику кластеров двух популяций с явной интерпретацией параметров временного запаздывания. Для демонстрации путей развития инвазии с комплексом реалистичных факторов временного последействия предложен алгоритм клеточного автомата. Наш алгоритм не является очередной модификацией «Жизни» или «Аква-Тора», так как используется окрестность с восемью соседними точками и три цвета клеток в квадратной решетке. За явление запаздывания в алгоритме отвечают параметры ограничения скорости размножения особей, обновления среды и время миграции новых особей к доступным им ресурсам. Проведена вычислительная реализация трансформации заданного начального состояния клеток при инвазии согласно правилам преобразования. Показан сценарий цикличности двух основных величин в системе. Возникновение или разрушение циклов зависит от скорости обновления светло-серых клеток. Формы трансформации состояния клеток подтверждают, что формализуемое запаздывание в модели Николсона в гораздо большей степени относится к динамике взаимодействия вида-вселенца и поддерживающей условия его существования среды. Действие запаздывания не имеет смысла при моделировании отождествлять с характеристикой непосредственно биологического вида. При выработке ответной реакции со стороны среды на инвазию запаздывание иное по сути, чем при восстановлении ресурсов. Практическая значимость заключается в моделировании перемещения гребня инвазионной волны и итоговой синхронизации пиков колебаний у противоборствующих видов-хищников Beroe ovata и Mnemiopsis leidyi в Черном и Азовском морях - экологической системы «хищник ⇐⇒ хищник 𝐵». Колебательное поведение численности двух популяций отличается от сценариев, которые можно получить в непрерывных моделях.
Алгоритмические модели, запаздывание в моделях процессов, критические сценарии популяционной динамики, механизмы регуляции, популяционные фронты инвазий, синхронизация колебаний хищников, распространение инфекций
Короткий адрес: https://sciup.org/149131514
IDR: 149131514 | УДК: 57.02.001.57, | DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2020.1.5
Modelling of spatial spreading of invasions in the discrete homogeneous environment
We consider the problem of modeling important processes of biological invasions in discrete space using a new algorithm for reproduction and death of the constituent populations of individual cells. The inclusion of 𝑥(𝑡 τ)in the continuous model of the delay is an obvious way to diversify the options forthe behavior of the trajectory, but without expanding the structure and increasing the dimension of the phase space. Using population models with a deviating- - -argument 𝑥˙ = (𝑥 τ) Ψ(𝑥𝑘(𝑡 ν)) in some cases does not follow the realities of life. An explicit form of delay is suitable for inclusion in the phenomenologicalmodels of rapidly ripening species. Another spatial model is relevant, where time factors can be set visually. The goal of our work is to investigate the algorithm for transforming the state of cells in the space of a square lattice and to obtain the unsteady dynamics of clusters of two populations with an explicit interpretation of the parameters of time delay. To demonstrate the development of invasion with a complex of realistic factors of the temporary aftereffect, we propose a cellular automaton algorithm. Our algorithm is not yet another modification of “Life” or “Aqua-Tor”, since the neighborhood with eight adjacent points and three colors of cells in a square lattice are used. For the lag phenomenon in the new algorithm, the following parameters are responsible: restrictions on the rate of reproduction of individuals and updating the environment, and also the time of migration of new individuals to their resources in space. We carry out a computational implementation of the transformation of the given initial state of cells during invasion in accordance with the transformation rules. The scenario for the cyclicality of the two main quantities in the system is shown. The occurrence or destruction of cycles depends on the rate of renewal of green cells. The forms of transformation of the state of cells confirm that the delay that we formalize in the Nicholson model is much more relevant to the dynamics of the interaction of the invader species and the environment that supports itsexistence. The effect of the delay of the value τ does not make sense in modeling when identifying it with the characteristic of a directly biological species. When developing a response from the environment to invasion, the lag of the value ν is different in essence than when restoring resources. The practical significance of our work lies in modeling the movement of the crest of the invasive wave and the final synchronization of vibration peaks in such warring predator species as Beroe ovata and Mnemiopsis leidyi in the Black and Azov Seas an ecological⇐⇒system in the form of “predator predator 𝐵”. The oscillatory behavior of two populations differs from the scenarios that can be obtained in continuousmodels.
Список литературы Моделирование пространственного развития инвазий в дискретной среде
- Бубнов, В. А. Механизм перехода аустенита в мартенсит при холодной пластической деформации аустенитных сталей / В. А. Бубнов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2018. — № 11. — С. 14-19. - DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2018-ll-14-19.
- Мащенко, И. П. Теоретические основы эффекта Виллари / И. П. Мащенко, А. И. Мащенко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2005. — № 3. — С. 4-8.
- Микромагнитный метод микроструктурного анализа ферромагнитных цилиндрических образцов / В. К. Игнатьев, Д. А. Козин, А. А. Орлов, Д. А. Станкевич // Физические основы приборостроения. — 2012. — № 4 (5). — С. 44-57. - DOI: http://dx.doi.org/10.25210/jfop-1204-044057.
- Оперативный неразрушающий контроль несущих конструкций / В. К. Игнатьев, A. В. Никитин, С. В. Перченко, Д. А. Станкевич // Технологии техносферной безопасности. - 2011. - № 6 (40). - С. 9-10.
- Печенков, А. Н. Некоторые прямые и обратные задачи технической магнитостатики / А. Н. Печенков, В. Е. Щербинин. - Екатеринбург : УрО РАН, 2004. - 177 с.
- An electromagnetic oscillation method for stress measurement of steel strands / X. Li, B. Zhang, C. Yuan, C. Tu, D. Chen, Z. Chen, Y. Li // Measurement. - 2018. - № 125. -P. 330-335. - DOI: https://doi.Org/10.1016/j.measurement.2018.05.014.
- Observation of ultrasonic guided wave propagation behaviours in pre-stressed multi-wire structures / X. Liu, B. Wu, F. Qin, C. He, Q. Han // Ultrasonics. - 2017. - № 73. -P. 196-205. - DOI: https://doi.Org/10.1016/j.ultras.2016.08.014.
- Park, S. Magnetic flux leakage-based local damage detection and quantification for steel wire rope non-destructive evaluation / S. Park, J.-W. Kim // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. — 2017. — № 1. — P. 15. — DOI: https://doi.org/10.1177/1045389X17721038.
- Study of steel wire ropes defects / M. Lesnak, J. Prochazka, I. Hlavaty, J. Pistora, G. Kostiukova // Applied Mechanics and Materials. - 2014. - № 683. - P. 55-60. - DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.683.55.
- Sutinys, E. Research of wire rope defect using contactless dynamic method / E. Sutinys, V. Bucinskas, A. Dzedzickis // Solid State Phenomena. - 2016. - № 251. - P. 49-54. -DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.251.49.
- The effect of variable tensile stress on the MFL signal response of defective wire ropes / G. Gao, M. Lian, Y. Xu, Y. Qin, L. Gao // Insight - Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. - 2016. - № 3. - P. 135-141. - DOI: https://doi.Org/10.1784/insi.2016.58.3.135.