動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的林火蔓延模擬系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、森林火災(zāi)是危害人類最持久、最劇烈的災(zāi)害之一，特別是20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球氣候持續(xù)變暖，森林火災(zāi)有上升的趨勢(shì)。林火模擬技術(shù)是輔助林火撲救、減少重大森林火災(zāi)發(fā)生的重要手段之一。本研究針對(duì)傳統(tǒng)林火模擬過(guò)程中存在的模型手動(dòng)選擇難度大、模型修正數(shù)據(jù)獲取效率低、模擬精度驗(yàn)證困難等問(wèn)題，以DDDAS為林火蔓延模擬研究的技術(shù)范式，提出林火蔓延模擬全新的技術(shù)框架體系，解決模擬系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的模型庫(kù)建設(shè)與管理、模型適宜性選擇、模型自適應(yīng)修正、模擬過(guò)程實(shí)

2、時(shí)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，建立林火擴(kuò)散模擬和實(shí)際林火發(fā)展之間相互協(xié)作、共生的林火擴(kuò)散動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)；提高林火蔓延模擬精度，將林火蔓延模擬真正應(yīng)用到林火撲救指揮過(guò)程當(dāng)中，在實(shí)踐上為林火撲救指揮提供決策支持，在理論上為相關(guān)領(lǐng)域的空間擴(kuò)散模擬研究提供新的思路和技術(shù)范式。主要取得以下研究成果：
　　（1）提出了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的林火蔓延模擬系統(tǒng)框架體系，為林火蔓延模擬研究提供了嶄新的研究方法和思路；分析了系統(tǒng)的運(yùn)行原理，以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、模型庫(kù)、模擬運(yùn)行

3、與控制和可視化及用戶接口等四部分為基礎(chǔ)部件，提出了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)體系；剖析了系統(tǒng)的相互協(xié)作、共生反饋、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和不斷優(yōu)化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)特點(diǎn)；提出了系統(tǒng)涉及的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理、林火模型庫(kù)、林火模型選擇、林火模型修正和模擬精度驗(yàn)證等主要關(guān)鍵技術(shù)。
　　（2）建立了林火模型庫(kù)建設(shè)的林火蔓延模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)區(qū)實(shí)際情況，在42個(gè)林火蔓延模型中選擇了目前最具有影響力和最具有典型代表性的Rothermel模型、王正

4、非模型、加拿大模型和澳大利亞模型進(jìn)行了解析和歸一化處理；對(duì)林火模型庫(kù)的建庫(kù)過(guò)程和方法進(jìn)行了研究，在林火模型分類基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛶?kù)表示方法建立了林火模型庫(kù)；實(shí)現(xiàn)了林火蔓延模型算法，設(shè)計(jì)了模型字典庫(kù)、模型文件庫(kù)和模型知識(shí)庫(kù)；開發(fā)了模型庫(kù)管理與維護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了模型的文件管理、參數(shù)管理和知識(shí)管理；通過(guò)模型數(shù)據(jù)管理文件解決了模型庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間接口問(wèn)題；實(shí)現(xiàn)了林火模型庫(kù)對(duì)林火模型適宜性選擇和林火模型自適應(yīng)修正技術(shù)的有效支持。
　?。?/p>

5、3）基于 BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計(jì)了林火模型適宜性選擇技術(shù)框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成林火模型選擇知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了林火模型的自動(dòng)化和智能化選擇；以火場(chǎng)環(huán)境因子為輸入變量，以適宜火場(chǎng)環(huán)境模擬的林火蔓延模型作為輸出變量，構(gòu)建了林火模型選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；研究了輸入、輸出因子數(shù)據(jù)的獲取與計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的林火模型自動(dòng)選擇機(jī)制；以本京市為例，選擇了有詳細(xì)火場(chǎng)情況記錄的72場(chǎng)林火作為實(shí)驗(yàn)樣本，其中60條記錄作為學(xué)習(xí)樣本集，12條記錄作為驗(yàn)證樣

6、本，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了學(xué)習(xí)和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型選擇精度可達(dá)到80％以上。
　?。?）提出了一種利用手持GPS和無(wú)線傳輸設(shè)備來(lái)快速測(cè)定火場(chǎng)位置和林火實(shí)際蔓延速度的方法，為林火蔓延模擬速度驗(yàn)證提供了必要的手段；對(duì)林火蔓延模擬誤差的來(lái)源進(jìn)行了全面分析，探討了林火蔓延誤差的表現(xiàn)形式和計(jì)算方法，指出了林火蔓延速度誤差和蔓延方向誤差是林火蔓延誤差產(chǎn)生的根源，提出了通過(guò)增加系統(tǒng)誤差修正參數(shù)來(lái)減少系統(tǒng)模擬誤差的有效方法。
　　（5）基于

7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了模擬誤差修正參數(shù)自動(dòng)生成方法，探討了模擬誤差在線自適應(yīng)修正機(jī)制和模擬誤差修正知識(shí)在線自動(dòng)獲取機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了模擬誤差的在線自適應(yīng)修正過(guò)程；采用歷史記錄火場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模擬誤差的自適應(yīng)修正過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在預(yù)測(cè)的4條記錄中，其中3條與計(jì)算結(jié)果誤差小于預(yù)定的0.2m/min，1條誤差超過(guò)0.2m/min，驗(yàn)證了模擬誤差修正結(jié)果精度具有一定的可靠性。
　　（6）利用北京市良好的防火基礎(chǔ)設(shè)施條件，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的林火蔓延模擬系