森林火灾扑救智能决策支持系统研究

论文摘要

森林火灾是在开放系统中自由蔓延的。由于受地形、可燃物类型及气象条件的影响,其燃烧过程复杂多变。因每起森林火灾,都具有不同的特点,在扑救中扑火人员的扑救知识和技术也有差异,所以单凭指挥人员的经验进行决策很难得出一个合理的方案。本论文对森林火灾扑救智能决策支持系统的整体结构做了规划,采用了火情信息采集、火行为预测、火灾扑救智能决策、用户界面显示、数据总库五大核心模块并行工作的模式,完成了系统的整体布局。在预测模型方面,采用了知识库、综合数据库、推理机构和模型库循环工作模式,建立了一种以产生式规则为基础的林火蔓延多模型预测体系;给出一种以王正非林火蔓延模型为基础的矢量叠加林火蔓延简单构型和灰色GM（1,1）模型的变等步长应用方法。并根据王正非模型与灰色模型的特性,提出了多模型预测智能选择方法。在预测过程中,利用专一性就近原则,对预测数据进行构造。本文对资源竞争的决策方法进行了深入研究,并采用这种决策方法作为森林火灾扑救的决策机制,使系统能够在有限的灭火资源条件下完成最佳的灭火方案决策。综合灭火时间、过火面积、火灾损失等各方面因素,提出了一套决策结果评价体系。对传统的扑火路径进行了优化。并通过对林火地形特征的分析,建立了一种由坡度值来判断陡坡、单口山谷、鞍状山谷等危险地理环境的决策函数,使系统生成的扑火方案更加科学、合理。在知识获取方面,本文在分析了大量历史森林火灾扑救案例的基础上,通过对知识库中知识的表示与结构的研究,根据森林火灾扑救智能决策支持系统的特点,确定了基于“规则架+规则体”的知识表示方法,建立了知识库。对自动学习算法进行研究,开发了基于模型匹配的自然语言理解的知识自动获取学习机,建立了为自然语言理解提供支持的专业字典,通过对关键词的二次定位,提高了学习机的学习效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题来源、研究目的及意义
• 1.2 国内外森林防火的状况
• 1.2.1 国外森林防火的状况
• 1.2.2 国内森林防火的状况
• 1.3 森林火灾扑救智能决策支持系统在国内外的研究动态
• 1.4 论文的研究内容
• 2 森林火灾扑救智能决策支持系统结构设计
• 2.1 系统结构
• 2.2 火情信息采集模块
• 2.3 火行为预测模块
• 2.4 火灾扑救智能决策模块
• 2.5 用户界面显示模块
• 2.6 数据总库
• 2.7 本章小结
• 3 森林火灾蔓延预测模型及算法改进
• 3.1 林火蔓延预测模型
• 3.1.1 时间序列平滑预测模型
• 3.1.1.1 移动平均预测法
• 3.1.1.2 指数平滑预测法
• 3.1.1.3 自适应过滤预测法
• 3.1.1.4 Holt-Winters 预测法
• 3.1.2 林火蔓延预测模型分类
• 3.1.2.1 基于能量守恒定律的Rothermel 模型
• 3.1.2.2 澳大利亚的McArthur 模型
• 3.1.2.3 加拿大林火蔓延模型
• 3.1.2.4 王正非林火蔓延模型
• 3.1.2.5 理想火场计算卵圆方程
• 3.1.2.6 物理模型
• 3.2 林火模型分析
• 3.2.1 模型参数
• 3.2.2 可燃物作用项
• 3.2.3 风作用项
• 3.2.4 地形作用项
• 3.2.5 风与地形的组合及方程组
• 3.3 王正非蔓延模型及算法改进
• 3.3.1 王正非蔓延模型的改进
• 3.3.2 王正非蔓延模型改进误差比较
• 3.4 灰色模型及算法改进
• 3.4.1 灰色理论
• 3.4.2 灰色理论选择依据
• 3.4.3 林火蔓延预测中的灰色模型变等步长预测
• 3.4.4 变等步长预测与灰色模型误差比较
• 3.5 本章小结
• 4 森林火灾蔓延的多模型预测方法
• 4.1 森林火灾蔓延多模型预测系统结构
• 4.2 林火蔓延多模型预测系统
• 4.2.1 接口（interface）
• 4.2.2 综合数据库（global database）
• 4.2.3 知识库（knowledge base）
• 4.2.4 推理机构（reasoning machine）
• 4.2.5 模型库（models library）
• 4.3 系统工作流程
• 4.4 本章小结
• 5 森林火灾扑救智能决策模型
• 5.1 扑火战略战术
• 5.1.1 扑火战略
• 5.1.2 扑火战术
• 5.2 扑火方式的选择
• 5.3 灭火模型
• 5.3.1 林火分类
• 5.3.2 扑火速度的确定
• 5.3.3 水灭火模型的构建
• 5.3.4 防火道模型的构建
• 5.3.5 防火道配合直接灭火模型
• 5.4 扑火路径优化模型
• 5.4.1 最短路径的计算
• 5.4.2 扑火路径的优化
• 5.5 时间计算模型
• 5.6 地形判定模型
• 5.6.1 危险地形
• 5.6.2 模型建立
• 5.7 决策结果评价模型
• 5.8 灭火规划进程数据提供模型
• 5.9 知识的柔性检索模型
• 5.10 模型库管理系统的建立
• 5.11 本章小结
• 6 森林火灾扑救知识的自动获取
• 6.1 知识库的构建
• 6.1.1 知识的表示形式
• 6.1.2 知识库的结构
• 6.2 知识的自动获取
• 6.2.1 文本信息的获取
• 6.2.2 概念与术语的提取
• 6.3 知识获取机的开发
• 6.3.1 知识获取的方式
• 6.3.2 非自动知识获取编辑器的开发
• 6.3.3 自动获取知识的学习机开发
• 6.4 案例知识的自动获取
• 6.4.1 扑火指挥案例
• 6.4.2 案例学习结果
• 6.5 本章小结
• 7 森林火灾消防指挥智能决策支持系统仿真
• 7.1 编程语言的选择
• 7.2 决策支持系统的总体框架
• 7.3 多机联调的数据接口协议
• 7.4 仿真试验
• 7.4.1 仿真条件
• 7.4.2 仿真过程及结果
• 7.5 本章小结
• 8 结论
• 参考文献
• 个人简介
• 第一导师简介
• 第二导师简介
• 博士在读期间发表的论文
• 致谢