一种林火蔓延多层级模拟方法及系统与流程

本发明涉及民用直升机森林消防灭火领域，具体涉及一种面向直升机应用场景仿真的林火蔓延多层级模拟方法及系统。

背景技术：

1、目前，对于林火蔓延仿真分析主要采用基于元胞自动机(cellular automata,ca)的建模仿真方法：通过将一定面积的森林按照某种规则进行均匀离散化，将该片区域划分成网格；每个格子代表一个元胞；每个元胞的状态代表该格子中所有树木的平均状态；所有元胞状态只能在固定几种状态中切换，且状态更新均遵循同样的规则。

2、通过此种方式，可以将某片森林根据其树木种类以及密度进行参数化建模，从而较客观地模拟林火蔓延过程。而且，通过进一步对网格的精细划分以及对元胞的详细建模，可以较为真实地模拟林火蔓延过程。

3、但是，基于元胞自动机的林火蔓延建模仿真方法对于直升机应用场景仿真分析仍存在一定劣势。一方面，研究直升机森林消防灭火应用场景时二者将会发生交互，若研究的问题较为宏观，则模型粒度较细将降低研究针对性及仿真运行效率；另一方面，研究的主体是直升机，则应更关注于直升机森林消防灭火的任务流程，而非林火蔓延。

4、以直升机森林消防灭火为代表的典型应用场景仿真分析，其主要目的是根据仿真分析结果辅助制定系列化解决方案。此过程需要大量分析不同层级的问题，因此，需要不同层级应用场景仿真均能够较为客观地反映林火蔓延的规律。

5、综上所述，亟需一种能够支持多层级应用场景仿真的林火蔓延多层级模拟方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是能够为直升机森林消防灭火应用场景仿真分析提供一种林火蔓延多层级建模方法，以满足此类应用场景的不同仿真分析目标对林火蔓延模型粒度的差异需求。从而能够在不违背客观规律的前提下，平衡建模复杂程度与仿真运行效率之间的矛盾，并为通过此类应用场景仿真分析结果制定直升机森林消防灭火解决方案奠定技术基础。

2、技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种面向直升机应用场景仿真的林火蔓延多层级模拟方法，所述方法包括：

4、步骤1：构建平台级模型，所述平台级模型包括矩形网格、元胞属性、邻居类型、元胞状态及状态切换条件；并对平台级模型进行仿真，获得大样本monte carlo仿真结果；

5、步骤2：根据大样本monte carlo仿真结果，建立任务级模型；并对任务级模型进行仿真，获得洒水需求变化拟合曲线；

6、步骤3：根据洒水需求变化拟合曲线，利用任务级模拟方法，通过积分构建林火的体系级模型，并对体系级模型进行仿真。

7、具体的，步骤1包括：

8、步骤11：根据元胞自动机理论，以矩形网格(a,b)划分任务区域，每个网格代表一个元胞；

9、步骤12：每个元胞均有燃点(h)和燃料(f)2个属性；

10、步骤13：元胞邻居选择moore模型；

11、步骤14：元胞状态划分为正常(normal，sn)、燃烧(burning，sb)、熄灭(extinguish，se)；状态切换条件包括正常转为燃烧的条件tnb和燃烧转为熄灭的条件tbe；

12、步骤15：根据元胞所处行列位置，随机将任一一个元胞的元胞状态由sn变为sb；

13、步骤16：在ti时刻直升机低空洒水，洒水位置为(r，c)，洒水量为

14、步骤17，根据洒水位置和撒水量计算被扑灭的元胞，即由sb变为sb；

15、步骤18，判断林火是否已熄灭(n(sb)＜＜n(se))，若已熄灭则结束林火蔓延模拟；若未熄灭则计算直升机往返火场与水源地的时间δth，令ti＝ti+δth返回步骤16。

16、具体的，步骤2包括：

17、步骤21：利用公式建立任务级模型，其中，i＝0，1，2，…为直升机的洒水次数，为第i次洒水后林火洒水需求，为第i次洒水后林火洒水需求最大值，为第i次洒水后林火洒水需求达到的时间，vs为林火蔓延的平均速度系数且不随时间变化；

18、步骤22：设置vs参数，将vs参数输入任务级模型，生成林火蔓延初始模型

19、步骤23：在ti时刻直升机低空洒水，洒水量为

20、步骤24：根据洒水量为对林火蔓延初始模型进行调整，获得更新后的和

21、步骤25：根据更新后的利用判断林火是否已熄灭；若则判断林火已熄灭，结束林火蔓延模拟；若则判断林火未熄灭，计算直升机往返火场与水源地的时间διh，令ιi＝ιi+διh，返回步骤23。

22、具体的，步骤3包括：

23、步骤31：利用公式构建林火的体系级模型；

24、步骤32：设置vs参数，将vs参数输入任务级模型，生成林火蔓延初始模型进而计算此次林火的平均洒水需求量

25、步骤33：在ti时刻直升机低空洒水，洒水量为

26、步骤34：计算累计洒水量

27、步骤35：根据累计洒水量wdrop，判断林火是否已熄灭；若wdrop＞wwater，则判断林火已熄灭，结束林火蔓延模拟；若wdrop≤wwater，则判断林火未熄灭，计算直升机往返火场与水源地的时间δth，令ti＝ti+δth返回步骤33。

28、具体的，正常转为燃烧的条件tnb：∑h(δt)＞h；

29、燃烧转为熄灭的条件tbe：∑f(δt)＞f；

30、其中，h(δt)为每个时间间隔内元胞邻居对该元胞热辐射量，f(δt)为每个时间间隔内处于燃烧状态元胞的燃料消耗量。

31、具体的，根据洒水量为利用公式获得更新后的

32、根据洒水量为利用公式获得更新后

33、具体的，任务区域离散化选用的包括二维网格正方形、三角形、六边形二维网格。

34、具体的，元胞邻居的包括邻居模型选用冯·诺依曼型、扩展摩尔型、马哥勒斯型邻居模型。

35、第二方面，本技术提供一种林火蔓延多层级模拟系统，所述系统包括构建单元和仿真单元，其中：

36、构建单元，用于构建平台级模型，所述平台级模型包括矩形网格、元胞属性、邻居类型、元胞状态及状态切换条件；根据大样本monte carlo仿真结果，建立任务级模型；根据洒水需求变化拟合曲线，利用任务级模拟方法，通过积分构建林火的体系级模型；

37、仿真单元，用于对平台级模型进行仿真，获得大样本monte carlo仿真结果；对任务级模型进行仿真，获得洒水需求变化拟合曲线；对体系级模型进行仿真。

38、综上所述，本技术提供一种面向直升机应用场景仿真的林火蔓延多层级模拟方法，与传统基于元胞自动机的林火蔓延模拟方法相比，本发明采用了多层级模拟策略，即针对体系级、任务级、平台级应用场景分析需求采用不同层级的模拟方法，从而达到既能反映客观规律又能保证建模仿真效率的目的，在一定程度上解决了林火蔓延建模仿真在直升机应用场景分析中可信程度与计算时间的矛盾问题。该技术可以有效支持直升机森林消防灭火应用场景仿真分析，对于体系级问题可关注于机队部署、任务规划、体系优化等宏观问题，对于任务级问题可关注于平均救援效率、燃油消耗、运行成本等具体问题，对于平台级问题可关注于低空洒水环节的飞行策略、协同配合、灭火方式等细节问题。