Лабораторная работа: Клеточные автоматы

Цель работы

Изучение принципов функционирования и приобретение навыков программной реализации клеточных автоматов как дискретных вычислительных моделей.

Правила игры "Жизнь" (Game of Life)

Классические правила Конвея:

1. В пустой (мёртвой) клетке, с которой соседствуют три живые клетки, зарождается жизнь;
2. Если у живой клетки есть две или три живые соседки, клетка продолжает жить;
3. В противном случае (если живых соседей меньше двух или больше трёх) клетка умирает ("от одиночества" или "от перенаселённости").

Структура проекта

lab2/
├── src/main/kotlin/
│   ├── Main.kt                     # Точка входа в приложение
│   ├── model/
│   │   ├── Config.kt               # Модель конфигурации (сериализуемая)
│   │   ├── GameOfLife.kt           # Реализация Game of Life
│   │   ├── OneDimensionalCA.kt    # Реализация 1D клеточного автомата
│   │   └── OneDimensionalRule.kt  # Правила для 1D автомата
│   ├── ui/
│   │   ├── MainScreen.kt          # Главный экран
│   │   ├── Sidebar.kt             # Панель управления (слева)
│   │   └── gameoflife/
│   │       ├── GameOfLifeView.kt   # Визуализация Game of Life
│   │       └── PatternClassifier.kt # Классификация паттернов
│   ├── data/
│   │   └── ConfigRepository.kt     # Сохранение/загрузка JSON
│   └── util/
│       └── ExperimentRunner.kt     # Запуск экспериментов
├── build.gradle.kts                # Конфигурация сборки
└── config.json                     # Файл конфигурации (создаётся при запуске)

Реализованные задачи

Задание 1: Одномерный клеточный автомат

Реализован элементарный одномерный клеточный автомат с поддержкой правил:

• Правило 30 - хаотичный паттерн
• Правило 90 - фрактальный паттерн (треугольник Серпинского)
• Правило 110 - универсальный клеточный автомат (эквивалент машине Тьюринга)
• Правило 184 - модель дорожного движения

Функциональность:

• Визуализация нескольких итераций эволюции автомата
• Режимы отображения: "Трейс" (история поколений) и "Текущее" (только последнее поколение)
• Настраиваемая ширина поля (10-200 ячеек)
• Начальные условия: центр или случайное заполнение

Задание 2: Двумерный клеточный автомат "Жизнь"

Реализована полная модель Game of Life с:

• Классическими правилами Конвея
• Интерактивным полем (клик для изменения состояния клетки)
• Отображением номера поколения и количества живых клеток

Задание 2.1: Серия экспериментов

Проводятся эксперименты со случайным начальным заполнением:

• Плотности: 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5
• 10 запусков для каждой плотности
• Фиксация времени стабилизации (N=10 поколений без изменения population)
• Результаты сохраняются в stabilization_graph.png

Стабильной фазой считается момент, когда в течение 10 поколений общее количество живых клеток не меняется или меняется циклически между двумя значениями.

Задание 2.2: График зависимости

По результатам экспериментов строится график зависимости среднего времени стабилизации от начальной плотности заполнения (используется библиотека XChart).

Задание 2.3: Классификация паттернов

Автоматическая классификация обнаруженных фигур:

• Устойчивые (Still Life): блок, улей, лодка, труба
• Периодические (Oscillators): бликер, пульсар
• Движущиеся (Spaceships): глайдер (glider)
• Малые фигуры: одиночная клетка, пара, триада

Подсчитывается количество изолированных комбинаций клеток (объектов) и отображается в интерфейсе.

Интерфейс приложения

Сайдбар (слева)

• Выбор режима автомата (1D / Game of Life)
• Выбор правила для 1D автомата
• Настройка размера поля (10-500 для 2D, 10-200 для 1D)
• Настройка скорости симуляции (1-60 FPS)
• Настройка вероятности заполнения (для случайного запуска)
• Кнопки: Старт/Стоп, Сброс, Случайное заполнение
• Запуск экспериментов (только для Game of Life)
• Загрузка/сохранение паттернов из файла

Поле (справа)

• Интерактивная сетка клеток
• Для Game of Life: клик для изменения состояния клетки
• Отображение текущего состояния в реальном времени

Сохранение конфигурации

Конфигурация автоматически сохраняется в файл config.json при каждом изменении настроек. Включает:

• Текущий режим автомата
• Размер поля
• Скорость симуляции
• Вероятность заполнения
• Выбранное правило для 1D
• Текущее состояние поля

Сборка и запуск

Требования

• JDK 21
• Gradle (включён в проект)

Команды сборки

# Сборка проекта
./gradlew build

# Запуск приложения
./gradlew run

# Создание дистрибутива (запускаемый бинарник)
./gradlew installDist

# Создание ZIP-дистрибутива
./gradlew distZip

Запуск скомпилированного приложения

После сборки запустите:

cd build/install/lab2
./bin/lab2

Или распакуйте дистрибутив:

unzip build/distributions/lab2-1.0.zip
./lab2-1.0/bin/lab2

Примечание: Для запуска требуется графическое окружение (X11/Wayland).

Технологии

• Язык: Kotlin 2.3.0
• UI Framework: Jetpack Compose for Desktop
• Графики: XChart 3.8.8
• Сериализация: Kotlinx Serialization 1.7.3
• Сборка: Gradle с Compose Plugin