灭火作战辅助决策

1.5　灭火作战辅助决策

在传统的灭火作战指挥中，基于GIS技术，指挥部依据所收集的当前火场数据、火场预报数据，兼顾安全灭火、快速高效灭火的基础上，直接由指挥部会商和制定战略级、战术级别，甚至是战斗级别的灭火作战决策与作战部署，并将其精确描述和制作为电子地图，将是灭火作战指挥的重大技术进步。

发达国家非常重视灭火作战的研究，如美国的林火扑救辅助决策系统，把线性和结构化模型向非线性和非结构化模型转变，以适应实际工作中的随机变化，帮助决策者做出科学的决策，一些系统已经在实际工作中使用，并且取得了较好的成果，但在各类参考文献中都未查阅到具体模型，所以很难评价其优缺点。

我国在林火扑救辅助决策方面做了很多的研究。1995年，王阿川与姚树人利用TurboProlog语言，采用知识的规则体+规则框架的表示方法，通过人机对话的模式向用户提出一系列问题，用户按计算机的提示回答问题，计算机依据用户的回答输出相应的灭火方案。此系统中使用的模型主要以用户输入的可燃物类型、风速、火险等级和坡度等信息为参量，计算出火头、火尾、火翼的蔓延速度。当用户输入需要的扑灭林火或控制林火蔓延的时间后，根据扑火队拥有的扑火工具组合的灭火效率，计算出需要的扑火力量。此模型的建立主要针对直接灭火，但在云南高山林区，森林植被以高山密林为主，受可燃物密度和地形条件的影响，会采取除人工扑打外更多的灭火方式，因此该模型具有一定的局限性。其次，该系统在求算火蔓延模型时，只考虑了风速、火险等级和坡度条件，引入的影响火蔓延的因子较少，因此，计算出的火头、火尾、火翼速度可能与客观林火蔓延速度不相符，会造成决策的失误。

1995年，张兰星、宋世龙等人建立了林火扑救指挥专家知识型模型，该知识模型的表示采用生产式表示法和逻辑表示法，并且在决策方法中引入以火攻火、开设隔离带等一些间接灭火方法，决策参数包括火强度、火蔓延速度、火场周边条件等。但该模型以及在该模型基础上研发的系统主要包括3个缺点:一是模型参数的定量化缺少科学性。参数的定量化标准采用的是一些主观逻辑判断词，比如强、弱、大、小等，没有科学的定量，所以会因为人的主观经验不同而输入不同的数值;二是在一个火场中，采用的灭火方式单一。对于一个正在蔓延的火场，火势发展方向是向四周扩散的，在不同蔓延方向上，由于地形和可燃物类别的不同，不同方向上的林火行为也会不同，如:林火蔓延速度、火焰高度，因此对于一个火场采取单一的灭火方式显然是不科学的;三是没有提供模型维护的接口。模型建立后，会随着灭火技术的发展或是林区的不同，影响灭火作战战术、战略的参数，参数定量化的标准甚至是决策战略、战术都可能会随之改变，因此，一个方便用户维护模型的接口是非常必要的。

以上林火扑救辅助决策系统是模型计算、结果输出的系统，它没有后台地理信息系统、电子地图的支持;在实际使用过程中，表现出的主要缺点是:在空间上动态变化的预报因子需要由操作人员录入，而不能够直接从相应的电子地图中获取，因此，录入数据的获取比较困难;输出的结果不能时时定位在电子地图上，并与火场的区域位置对应起来，用户很难直观获取输出结果的空间信息。这些特性确定了该系统难以成为实用化的辅助决策支持系统。

1996年，国家林业局林火管理决策支持系统在林火扑救决策部分主要实现了最佳出兵路线搜索的功能。当林火发生时，首先根据林火发生位置，搜索距离火场最近的扑火队伍，然后计算该扑火队伍距离火场的最短距离和最短路径，这种搜索最短路径的决策适用于灭火作战时的兵力部署与调遣。

2002年，泰山林火管理信息系统完成了除了完成最佳出兵路径搜索外，还在此基础上实现了最佳扑火线、最近机降点、最近水源等地物的搜索，为扑火指挥人员制定扑火战略、战术提供了科学依据。

2004年，泰山森林防火微波视频监控与指挥调度系统的林火扑救辅助决策模型的建立，是模拟扑救指挥在林火扑救中制定决策的过程，建立知识库、方法库和推理机等，根据火场的地形、地貌、生产生活设施分布、森林小班资源、消防警力分布、水资源分布、交通道路分布等实时信息，选择较优的林火扑救方案提供给扑火人员参考。

2005年，中南林学院空间信息技术研究所利用RS，GIS和DSS等技术，提出通过处理大量的林火静态信息与火场实时信息，以安全性与经济性为指导原则，为指挥人员提供较优的林火扑救方案。系统计划实现目标为能够实时进行林火行为的模拟预测，形成扑火力量集结方案，为林火扑救提供决策支持方案，实现现场和防火指挥中心扑火方案的实时交互。

2002年，东北林业大学王明玉硕士所做的林火扑救辅助决策是集成在GIS软件中，该系统利用ArcObjects组件构建出森林火灾扑救辅助决策系统，主要将扑火路径选择，三维显示和基础GIS功能等集成应用在辅助决策中。同时，东北林业大学的刘永生硕士运用人工智能专家系统技术，集成地理信息系统、网络技术、智能计算、知识发现等方面技术，运用林火预防和扑救领域知识、模型和专家经验等，采用适宜的知识表示技术和推理策略，向林火管理人员提供咨询和辅助决策，该系统采用的模型主要是判断火场的周边条件是否适合直接扑打、采用直接扑打时所需要的人数和采取的战略、战术。

国内一些高校在林火扑救辅助决策方面也展开了很多基础研究。如:中国科技大学成立了森林火灾研究室，其主要研究方向为森林火灾发生和蔓延的动学演化机理与规律的基础研究，以及森林火灾扑救辅助决策关键技术基础。主要研究内容是在不同可燃物条件、气流条件和坡度条件下，以火蔓延动力学行为及热量输运过程的物理作用为基础建立火行为预测模型。森林可燃物热解动力学模拟和热解尺度效应，以及相关热解动力学分析方法。森林火灾与环境因素、森林特征和人为因素的相互耦合作用而产生自组织临界性的机制。隐燃向明火转化过程的条件和机理。火旋风的非线性动力学机理的初步揭示。以及建立在上述理论模型的基础上，以地理信息系统为平台，建立林火扑救决策支持模型和方法。一直以来，林火扑救辅助决策模块都是林火管理地理信息系统研发的薄弱点，

但在实际应用中，这一模块却是最重要的。目前，国内林火扑救辅助决策的研发内容大多集中在支持灭火部队调度的最短路径分析上、支持水灭火的最近水源搜索以及在采用直接灭火时的人数的确定上;一些研究中也提出以地形因子、气象因子等为参数建立火行为模型，计算出林火蔓延速度，火焰高度等，并在火行为基础上为用户提供适合的扑火作战战略、战术。在大多数灭火作战战略、战术的研究中，考虑的参数因子较少，特别是特殊地貌对火行为的影响，因为特殊地貌会引起火行为的突变，对扑救人员的人身安全造成潜在威胁。在有些模型中，也较为全面地考虑了各种引起火行为变化的各种因素，但仅仅是一种初浅的、局限于书本的探讨，没有建立相应的模型，也没有开发成为软件系统的模块，当然也没有经过应用实践的检验。

目前，在2003年～2005年编写完成的第一个版本的云南省林火管理地理信息系统中，灭火作战方案的决策过程主要依赖操作人员或指挥人员参照系统提供的电子地图，寻找火场附近的山脊、河流、道路等支持地物，勾绘出适合灭火作战的备选控制线，利用GIS工具读取控制线附近的坡度、可燃物类别等信息。在模块提供的人机交互界面上输入当天的气象信息(温度、湿度、风速)和读取的坡度、可燃物信息计算出林火初速度、火头速度、火焰高度等火行为。指挥员可以利用计算出的火行为信息，在系统提供的灭火作战备选方案中选择合适的灭火方式。这种决策方式只是给操作员与指挥员在决策时提供信息支持，具体的方案选择完全依赖于操作员或指挥员的主观判断，缺乏有效、定量的判别依据。在实际作战中，由于个人对火场信息认识的背景知识和经验不同，会带来一定的偏差甚至是决策失误。这种决策方式，在决策策略与决策因子之间既没有建立定量的关系模型，也没有定义决策规则，所以是一种简单的依赖于人的经验与判断的人机交换操作的决策方法，仅仅为决策的制定提供信息咨询的决策，是最初层次的辅助决策。该模块模拟灭火作战指挥员制定决策的过程，将火线蔓延方向上的迫近地物分类制定灭火战略，然后根据第一个版本的灭火作战辅助决策中需要的参数信息计算火行为，以火行为、地物、地貌为依据制定灭火战术和确定灭火力量地形信息(坡度)、可燃物信息(可燃物类型)参数的获取，是由编写程序直接获取，不需要操作人员利用工具读取后，手工输入系统，这样减少了操作人员的工作量，并且提高了信息获取的准确性。在获取信息之后，系统能够根据这些信息直接为用户提供适合的灭火战术、战略。这种直接为决策者提供科学决策的辅助决策是一种智能化程度较高的辅助决策，只要模型与客观实际相符，计算结果就具有科学性，并且能够减少灭火指挥员在决策过程中的失误。