平行系统支撑的林火仿真与协同灭火研究_冯晓刚.pdf

年第期冯 晓 刚，等：平 行 系 统 支 撑 的 林 火 仿 真 与 协 同 灭 火 研 究引 文 格 式：冯 晓 刚，周 在 辉，杨 鑫，等平 行 系 统 支 撑 的 林 火 仿 真 与 协 同 灭 火 研 究 测 绘 通 报，（）：-：-平行系统支撑的林火仿真与协同灭火研究冯 晓 刚，周 在 辉，杨鑫，李萌，李 凤 霞（西 安 建 筑 科 技 大 学 建 筑 学 院，陕 西 西 安；西 安 建 筑 科 技 大 学 建 筑 勘 测 研 究 所，陕 西 西 安）摘 要：为 了 能 够 为 突 发 的 森 林 火 灾 提 供 科 学 预 案 与 精 准 决 策，本 文 以 时 空 大 数 据 为 基 础，提 出 了 以 平 行 系 统 为 骨 架，以 广 域协 议 为 准 则，在 搭 建 林 火 发 生、蔓 延 及 灭 火 等 全 过 程 模 拟 与 应 急 演 练 模 型 设 计 基 础 上，采 用 粒 子 系 统 和 修 正 的模 型 分 别进 行 林 火 及 其 蔓 延 过 程 模 拟，在 对 各 对 象 类 和 交 互 类 设 计 的 基 础 上，完 成 了 应 急 模 拟 与 协 同 演 练 的 原 型 系 统 开 发，并 以 漳 浦 县 为例，对 该 系 统 进 行 验 证。结 果 表 明，平 行 系 统 的 引 入 与 时 空 大 数 据 的 耦 合 可 以 很 好 地 克 服 模 拟 场 景 与 实 时 场 景 的 关 键 脱 节，实 测应 急 响 应 模 块 的 导 入，能 够 为 实 时 灭 火 决 策 提 供 高 精 准 信 息 化 服 务，使 得 该 协 同 模 拟 与 应 急 演 练 更 具 实 用 性 与 推 广 性。关 键 词：平 行 系 统；分 布 式 仿 真；高 层 体 系 结 构；协 同 灭 火；应 急 演 练中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，）：-，-，：；-；-；频 发 的 森 林 火 灾 不 仅 给 局 地 生 态 环 境 带 来 极大 危 害，同 时 也 会 造 成 巨 大 的 经 济 损 失，甚 至 会 危害 人 民 群 众 的 生 命 安 全。传 统 的 森 林 灭 火 仿 真存 在 诸 多 缺 陷。进 入世 纪 以 来，大 数 据 的 诞 生和 现 代 仿 真 技 术 的 进 步，使 全 方 位 模 拟 着 火 及 灭 火过 程 成 为 可 能，该 方 法 为 森 林 灭 火 仿 真 提 供 全 新 的科 学 参 考。林 火 仿 真 与 协 同 灭 火 的 前 提 条 件 是 真 实 林 火场 景 的 构 建 与 表 达。林 火 的 研 究 以世 纪年 代 的 林 火 行 为 因 子 探 索 为 开 端，最 终 在年 形 成 了 世 界 上 最 早 的 林 火 蔓 延 模 型。林火 蔓 延 模 型 可 以 归 纳 为 传 统 模 型 和 空 间 模 拟 模 型两 大 类。传 统 物 理 模 型 和 半 物 理 模 型 均 依 据 热传 导 机 理 过 程 构 建，区 别 在 于 燃 烧 过 程 是 否 考 虑了 化 学 过 程。罗 瑟 梅 尔（）模 型-以能 量 守 恒 为 基 础，假 设 可 燃 物 与 地 形 因 子 空 间 连续 的 基 础 上，进 行 蔓 延 过 程 模 拟。同 时，统 计 模 型和 半 统 计 模 型 都 是 利 用 数 据 对 林 火 蔓 延 特 征 与 影响 因 子 建 立 数 学 方 程，数 据 获 取 包 括 野 外 和 室 内火 烧 试 验 两 种，通 过 测 量 燃 烧 过 程 中 的 各 特 征 参收 稿 日 期：-基 金 项 目：“十 三 五”国 家 重 点 研 发 计 划 子 课 题（）；国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 基 金（）；陕 西 省 自 然 科 学 基 金 面 上 基金（）；陕 西 省 教 育 厅 专 项 基 金（）；西 安 建 筑 科 技 大 学 自 然 科 学 专 项 基 金（）作 者 简 介：冯 晓 刚（），男，博 士，副 教 授，主 要 从 事 城 市 环 境 遥 感、虚 拟 地 理 环 境 及 智 慧 城 市 设 计 与 开 发 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作。-：测绘通报年第期数，统 计 关 系 并 建 立 经 验 模 型。加 拿 大、澳 大 利 亚等 国 家 均 根 据 室 内 外 耦 合 试 验，建 立 了 自 己 的 经验 模 型，如 火 区 模 拟 模 型（）和 普 罗 米 修 斯 模型（）等；国 内 开 发 了 组 合 模 型-，研 究 表 明 上 述 物 理 和 经 验 模 型 可 以 很 好 地 反 映 林火 蔓 延，但 缺 乏 整 个 林 火 蔓 延 态 势 的 表 征，对 林 火预 防 和 扑 救 指 导 意 义 有 限。因 此，空 间 模 拟 方 法应 运 而 生，目 前 的 主 流 趋 势 是 以半 经 验模 型 为 内 置，利 用 适 当 的 传 播 方 程，将 传 统 林 火 蔓延 扩 展 到 二 维 尺 度 空 间。同 时，将 最 短 路 径 算法、元 胞 自 动 机-等 方 法 引 入 林 火 空 间 模拟，可 以 更 好 地 表 征 林 火 燃 烧、蔓 延 过 程。文 献在 此 基 础 上 引 入 了 三 维 曲 面 理 论，从 而 提 出了 三 维 曲 面 元 胞 自 动 机 林 火 蔓 延 的 动 态 模 拟。与传 统 模 型 相 比 能 够 从 空 间 尺 度 精 准 描 述 林 火 蔓 延过 程，提 供 更 加 全 面、翔 实 的 林 火 数 据，为 协 同 灭火 提 供 精 准 数 据 支 撑。分 布 式 仿 真 协 议-（高 层 体 系 结 构（，）以 开 放、互 操 作 和 可 扩 展 为 主要 特 征，除 广 泛 应 用 于 军 事 领 域 外，在 民 用 领 域 内亦 取 得 了 一 系 列 成 果-。研 究 表 明，数 字 林 业 作为 数 字 城 市 的 重 要 组 成 部 分，以 大 数 据 为 驱 动 的分 布 式 模 拟 仿 真，耦 合 应 急 模 块 后，可 以 在 最 短 的时 间 内 对 灾 情 作 出 正 确 预 判，并 根 据 大 数 据 平 台提 供 的 灭 火 资 源 时 空 分 布 等 数 据，结 合 火 场 周 边的 实 时 动 态 现 状 快 速 作 出 决 策。因 此，本 文 以平 行 系 统 理 论 为 基 础 构 架，基 于 全 息 化 大 数 据 平台，以 林 火 模 拟、协 同 灭 火 为 试 验 目 标，重 构 各 联邦 成 员，基 于 广 域 网 平 台，构 建 分 布 式 林 火 仿 真 与协 同 灭 火 演 练 原 型 系 统，最 后 以 漳 浦 县 进 行 实 例验 证。研 究 区、数 据 源 与 研 究 方 法 研究区概况漳 浦 县 位 于 福 建 省 东 南 沿 海，东 西 宽 ，南 北 长 ，东 临 台 湾 海 峡、南 隔 东 山 湾 与 东 山县 对 峙，西 南 与 云 霄 县 相 连，西 及 西 北 与 平 和 县、龙海 市 毗 邻，北 及 东 北 与 龙 海 市 接 壤。土 地 总 面 积 ，其 中：耕 地 面 积 为 ，山 地 面积 为 ，滩 涂 面 积 为 。年 平 均气 温 为，最 高 气 温 达 到 以 上，最 低 气 温 为，全 年 无 霜，年 均 降 水 量，属 典 型 的 南 亚热 带 海 洋 性 气 候（年）。数据源本 文 所 用 数 据 主 要 包 括 实 测 数 据 与 模 拟 数 据两 种。实 测 数 据 包 括 研 究 区 分 辨 率、实际 采 样 树 种 及 其 几 何 参 数 数 据、林 分 斑 块 数 据、历史 火 灾 参 数 及 其 统 计 结 果 数 据、灭 火 工 具 类 型 参 数数 据 及 历 史 气 象 年 鉴 统 计 数 据 等。研究方法 林 火 蔓 延 模 型林 火 仿 真 与 灭 火 应 急 演 练 过 程 中，林 火 的 有 效表 达 与 科 学 的 蔓 延 过 程 模 拟 是 林 火 仿 真 的 前 提。自年 林 火 蔓 延 的 数 学 模 型 被 首 次 提 出 以 来，世界 上 诞 生 了 许 多 的 林 火 模 型-，其 中 以半 统 计 模 型 应 用 最 广。模 型 是 以 能 量守 恒 定 律 为 基 础 的 物 理 模 型，以 均 匀 燃 烧 物 为 基础，充 分 考 虑 了 影 响 燃 烧 的 风 速、坡 度、燃 料 的 承 载量、表 面 积 与 体 积 比、燃 料 湿 度、燃 料 床 高 度、矿 物质 含 量 等，实 践 证 明 该 模 型 模 拟 结 果 与 实 际 情况 吻 合 度 高，。为 了 更 加 精 准 地 拟 合 研 究 区 高 低起 伏 的 地 貌 变 化，本 文 在 反 复 试 验 和 模 拟 的 基 础上，对 坡 度 修 正 系 数 变 量，采 用 模 糊 最 小 绝 对 值 非线 性 回 归 模 型 进 行 了 重 新 拟 合，使 拟 合 结 果 更 加 符合 研 究 样 区 地 貌 特 征。（）模 糊 最 小 绝 对 值 非 线 性 回 归 模 型。假 设 有组 模 式 的 试 验 观 测 数 据，记 为（，?），其 中 输 入 变 量，()，输 入 变量?，?，?()为 三 角 模 糊 数。令 输 入 变 量 和 输 出变 量 的 论 域 分 别 为 和。在，上 定 义个 一 致 且 标 准 的 模 糊 集，并 将 所 定 义 的 模 糊 集 的 隶 属 度 函 数 记 为（），（），（），则 模 糊 最小 绝 对 值 非 线 性 回 归 模 型 为 （）（）()（）（）（）利 用 式（）对 地 面 坡 度 进 行 精 准 拟 合。（）修 正 的模 型 具 体 表 达 式 为 （）（）（）（）（）（）（）年第期冯 晓 刚，等：平 行 系 统 支 撑 的 林 火 仿 真 与 协 同 灭 火 研 究 （）（）（）()（）式 中，为 林 火 蔓 延 速 度（）；为 火 焰 反 应强 度（）；为 林 火 传 播 通 率（无因 次）；为 坡 度 修 正 系 数；为 风 速 修 正 系 数；为 可 燃 物 的 密 度（）；为 有 效 加 热 数（无因 次）；为 点 燃 单 位 质 量 的 可 燃 物 所 需 的 热 量（）；为 燃 料 的 表 面 积 与 体 积 之 比；为 风 速（）；为 坡 度（）。总 体 构 架 设 计以 林 火 燃 烧 及 灭 火 过 程 为 仿 真 对 象，基 于体 系 结 构，从 基 础 理 论 层、系 统 设 计 层 和 实 践应 用 层个 方 面，进 行 森 林 景 观 构 建、林 火 蔓 延 过程 模 拟、灭 火 过 程 表 达、应 急 预 案 制 定 与 灾 后 统 计分 析 等 为 核 心 组 成 的 总 体 功 能 构 架；以 平 行 系 统理 论 为 支 撑，基 于 大 数 据 平 台，以网 络 为 依托 进 行 灭 火 仿 真 与 协 同 灭 火 的 总 体 构 架 设 计（如图所 示）。图分 布 式 林 火 仿 真 与 协 同 灭 火 过 程 真 实 环 境 模 拟（）地 形 模 拟。真 实 地 形 是 整 个 林 火 场 景、林火 蔓 延 与 灭 火 演 练 的 基 础，是 虚 拟 森 林 灭 火 场 景 中各 类 要 素 的 真 实“载 体”。本 文 仿 真 采 用 数 据 叠 加年 高 分 辨 率 遥 感 影 像 数 据，实 现 地 形要 素 的 真 三 维 表 达。（）单 木 建 模。单 木 建 模 是 构 建 森 林 场 景 及 其林 火 环 境 的 关 键 要 素 之 一，是 林 分 级 场 景 模 拟 的 基础。本 文 基 于 自 主 研 发 的 参 数 化 单 木 建 模 工 具 进行 多