探索C3FIRE微世界：森林灭火模拟的奥秘

# 探索C3FIRE微世界：森林灭火模拟的奥秘 ## 1. 引言 C3FIRE是一个基于森林灭火领域的指挥、控制与通信实验模拟环境。其目标是创建一个可用于分布式决策和态势感知研究与训练实验的环境。它可被视为一个从真实领域选取重要特性的微世界，保留了现有军事训练系统中用于训练步兵营人员的关键特征，旨在构建一个小型且可控的研究与训练实验环境。 在C3FIRE模拟中，存在森林火灾、带有房屋和不同植被的环境、侦察人员以及灭火单位。运行该系统的人员属于灭火组织，分为指挥人员和两个灭火单位负责人。 ## 2. 微世界系统 C3FIRE可归类为微世界系统。微世界是指选取真实系统的重要特征，创建一个具有这些特征的小型且可控的模拟系统。在心理学领域，微世界概念用于描述帮助研究人员在研究环境中设定适当复杂度水平的模拟。使用微世界的优势在于，其产生的复杂、动态和不透明特性代表了人们在现实生活系统中遇到的认知任务。我们的微世界目标是为研究提供一个可控的实验平台。 我们选择D3FIRE微世界作为基础，它是用于动态环境中分布式决策研究的实验系统。为适应我们的研究，我们引入了两个明确的时间尺度，改变了运行系统人员的角色，并通过引入房屋和不同类型的植被改变了任务环境的复杂性。 在C3FIRE微世界中，我们可以对受试者进行以下方面的研究和训练： - 目标分析：确定目标优先级、识别子目标、解决冲突目标。 - 信息收集与整合：了解受试者如何收集和整合信息，以及如何对微世界的隐藏结构形成假设。 - 战略与战术思维：研究受试者如何应用战略和战术思维。 - 预测与行动规划：观察受试者如何对系统的未来发展进行预测，并定义行动方案。 - 避免常见错误：如避免采用临时行为、主题游移或封闭行为。 ## 3. C3FIRE需满足的要求 C3FIRE实验环境需具备以下特点：动态环境、不同时间尺度的分布式决策，以及可用于研究和训练实验。 ### 3.1 动态环境 森林火灾可被视为一个结构不良的系统，它既会自主变化，也会因对系统采取的行动而改变。这意味着森林火灾是一个复杂的动态自主系统，类似于紧急目标系统、空中交通或军事敌军机动。灭火组织也可被视为一个动态自主系统，在一定程度上可由组织内的决策者控制。这种对火灾和灭火组织的看法使决策处于动态环境中。 ### 3.2 分布式决策 扑灭森林火灾的任务分配给了指挥人员和灭火单位负责人等人员。这意味着这些人需要合作完成任务。决策可被视为团队决策，成员在决策过程中具有不同的角色、任务和信息。 ### 3.3 时间尺度 与大多数层级组织一样，决策者在不同的时间尺度上工作。在C3FIRE中，人员在两个明确的时间尺度上工作。灭火单位负责人负责短期的低级操作，如具体的灭火工作；指挥人员则在更高的时间层面工作，负责灭火单位的协调和战略思考。 ### 3.4 研究与训练实验 为了能够研究指挥人员和灭火单位负责人的行为，并为指挥人员创建适应教学和知识的训练场景，环境和计算机模拟的行为可以以可控的方式改变。模拟由配置和场景数据控制。配置数据包括房屋位置、植被类型、默认火灾速度和灭火速度等静态信息。场景数据可以创建随时间变化的描述，描述模拟参与者的行为和天气变化。在会话运行时，C3FIRE系统会对会话进行完整记录，以便回放整个会话。 ## 4. 世界模拟 C3FIRE中的模拟世界由一个20*20的矩阵表示。在这个环境中，可能存在不同类型的植被、房屋、火灾、灭火单位和侦察人员。矩阵外没有任何东西，因此火灾不会蔓延到该区域之外。 ### 4.1 植被和房屋 C3FIRE的地理环境由植被和房屋组成。有三种类型的植被：普通树木、速燃的年轻松树和慢燃的桦树。房屋的作用是使某些区域比其他区域更值得保护，从而创造一个复杂的目标情况，指挥人员可以决定保护某些房屋或大片森林区域。在一次会话中，灭火组织应利用环境信息进行战术推理，了解哪些重要区域需要保护，以及哪些是关键的速燃森林区域。 ### 4.2 风 C3FIRE中的天气由风向和风速表示。风模型表示风会改变火灾的蔓延方向和速度。在C3FIRE微世界中，风的强度可以在强和弱之间变化。强风会增加火灾在风向方向上的蔓延速度，弱风会使火灾在各个方向上缓慢蔓延。如果植被类型相同且风向和风速恒定，风会将火灾吹成椭圆形，风速越大，椭圆越扁。风在整个地理环境中是相同的，由会话的场景控制。 ### 4.3 火灾 火灾模拟模型基于D3FIRE中的火灾模型，但进行了修改以处理不同类型的植被。地理矩阵中的每个位置可以处于四种状态之一：未燃烧、燃烧、熄灭或已烧毁。如果相邻位置燃烧了一定时间，未燃烧的位置可能会被点燃。火灾点燃后，灭火单位可以灭火，或者火灾可能因缺乏燃料而自行熄灭。火灾强度在开始和结束时较低，在燃烧过程中达到最高。这意味着在火灾变强之前更容易扑灭。已熄灭或已烧毁的位置不会再被点燃。森林火灾的蔓延速度和方向取决于两个因素：植被和风。决策者需要了解不同植被类型和天气条件下火灾的特征行为，以便更好地完成任务。 ### 4.4 灭火单位 灭火单位由灭火单位负责人控制，可以在环境中移动并灭火。一个单位可以处于五种主要状态：闲置、移动、动员、灭火、复员。它可以在整个地理环境中移动，并且有无限的水箱。 ### 4.5 侦察人员 每个灭火单位都有一名侦察人员，他可以在灭火单位周围移动并报告所见情况。侦察人员是计算机模拟的自主代理，可以对灭火单位负责人的问题和命令做出反应。 ## 5. 灭火组织 C3FIRE由四层组织组成，可视为典型的层级紧急组织。这些层级包括紧急报警中心、指挥控制人员、灭火单位负责人和基层单位。运行系统的人员位于指挥人员和灭火单位负责人层级。除了紧急组织内部的参与者外，还有组织外部的计算机模拟参与者。 ### 5.1 紧急报警中心 顶层是一个计算机模拟的参与者，可视为紧急报警中心。它可以向指挥人员发送文本消息。报警中心的目标是让指挥人员从紧急层级的更高位置获取信息，可视为任务分配者。 ### 5.2 指挥人员 指挥人员在更高的时间尺度上进行战略工作，试图了解当前情况并预测未来的关键情况。他们的工作是指挥和控制灭火组织，需要从灭火单位负责人那里收集信息，以了解情况，并在此基础上规划并向灭火单位负责人传达命令，以指导和协调组织的行动。指挥人员仅作为决策者，不直接操作系统。 指挥人员由两人组成：信息处理人员（I）和决策者（D）。信息处理人员接收来自灭火单位负责人的消息，负责更新描述情况的地图，在重要信息到达时通知决策者，并在构建情况心理图像所需信息缺失时与灭火单位负责人联系。决策者负责战略思考、预测未来、向灭火单位负责人下达命令，并组织整个灭火过程。 ### 5.3 灭火单位负责人 系统中有两名灭火单位负责人，X和Y。每个负责人协调两个灭火单位和两名侦察人员。他们使用灭火车辆灭火，并利用侦察人员获取地理信息。灭火单位负责人的主要职责是遵循指挥人员的命令并灭火，同时负责向指挥人员报告他们的所见、所做和计划。 ### 5.4 灭火单位 灭火单位可以在环境中移动并灭火。灭火单位负责人可以命令灭火单位向预期位置移动。如果灭火单位停在有火灾的位置，它将开始灭火。灭火单位的位置和周围的火灾状态显示在灭火单位负责人的地图上，灭火单位由地图上的鼠标命令控制。 ### 5.5 侦察人员 侦察人员是计算机模拟的代理，可以对灭火单位负责人的问题和命令做出反应。每个侦察人员与一个灭火单位相连，只能在单位周围的区域移动，最大距离为5个方格。侦察人员的任务是向灭火单位负责人提供地理环境信息。其行为由场景控制，可以影响和创建所需的训练场景。侦察人员可以自发或根据命令报告火灾状态、植被类型和房屋位置的信息。灭火单位负责人可以命令侦察人员前往地图上的特定位置。 命令如下： - 前往特定位置：如“go to E5”、“G E5”。 - 提供当前位置描述：如“R info”、“RI?”。 - 提供灭火单位位置描述：如“U info”、“UI?”。 消息示例： - “Pos E5, fire in north” - “Pos H6, fast-burning forest here” - “Pos H2, house in south east” ### 5.6 外部参与者 外部参与者是层级组织外部的计算机模拟和场景控制的参与者，代表平民或其他组织等人员，可以向指挥人员或灭火单位负责人发送文本消息。 ## 6. 用户界面 C3FIRE系统的用户界面可分为四个部分：时间和天气信息、地图、灭火单位信息和通信界面。右上角的灭火单位信息界面提供灭火单位当前的工作信息。地图描述了灭火单位周围的火灾状态。在一次会话中，指挥人员拥有时间和天气信息以及通信界面，灭火单位负责人拥有所有四个信息界面。 ### 6.1 地图 C3FIRE世界的地图是一个20*20的矩阵，用于为灭火单位负责人提供世界火灾的视觉图像。矩阵中的一个位置可以处于四种不同状态之一：未燃烧、燃烧、熄灭或已烧毁。灭火单位负责人只能看到其灭火单位周围方格的状态，即只能看到世界的两个3*3方格。 灭火单位由灭火单位负责人的直接操作命令控制。灭火单位负责人可以通过鼠标指针在地图上指向预期位置来命令灭火单位移动。灭火单位的位置和周围的火灾状态显示在灭火单位负责人的地图上。 ### 6.2 消息系统 人员和计算机模拟参与者使用消息系统交换文本信息。消息界面由发送和接收窗口以及复制按钮组成。复制按钮用于将消息从接收窗口复制到发送窗口。 指挥人员可以与灭火单位负责人通信，并从紧急报警中心模拟接收消息。指挥人员处理传入消息的方式取决于会话设置，可以是串行、并行或可更改的。 - 串行设置：信息处理人员接收来自灭火单位负责人的所有信息，决策者仅接收来自紧急报警中心的信息。 - 并行设置：来自灭火单位负责人的所有消息同时发送给信息处理人员和决策者，只有决策者接收来自紧急报警中心的信息。 - 可更改设置：决策者可以决定何时使用串行或并行设置。 灭火单位负责人可以与指挥人员、计算机模拟参与者、灭火单位和侦察人员通信。 以下是C3FIRE组织架构的mermaid流程图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(紧急报警中心):::process --> B(指挥人员):::process B --> C(灭火单位负责人X):::process B --> D(灭火单位负责人Y):::process C --> E(灭火单位1):::process C --> F(灭火单位2):::process C --> G(侦察人员1):::process C --> H(侦察人员2):::process D --> I(灭火单位3):::process D --> J(灭火单位4):::process D --> K(侦察人员3):::process D --> L(侦察人员4):::process ``` ## 7. 会话管理 定义C3FIRE会话时，可以使用大量参数来控制设置。这些参数包含在两个单独的文本文件中：配置文件和场景文件。除了定义会话的属性外，C3FIRE系统还会创建日志文件，以便回放会话。 ### 7.1 配置 配置文件包含会话的静态参数，用于为实验或训练会话创建合适的设置。配置涉及地理环境、火灾和灭火单位的属性。可以指定以下参数： | 参数类型 | 具体参数 | | ---- | ---- | | 地理环境 | 房屋位置、普通树木位置、年轻松树位置、桦树位置 | | 火灾 | 传播速度、燃烧时间、风与火灾传播速度的关系 | | 灭火单位 | 移动速度、灭火时间、动员时间、复员时间、起始位置、通信设施 | 需要注意的是，控制火灾或灭火单位行为的某些参数的微小变化可能会导致整个系统动态行为的巨大变化。因此，在更改这些关键参数后，需要通过完整的游戏会话来验证系统的动态行为。 ### 7.2 场景 场景描述了会话设置的动态特征，由在特定时间影响会话的事件组成。事件可分为两类：影响火灾行为的事件和影响计算机模拟参与者的事件。可以指定以下事件： - 火灾：新火灾的起始位置。 - 风：风速和风向。 - 静态消息：在特定时间从侦察人员或灭火组织外部的外部参与者发送的文本消息。 - 侦察人员行为：可以通过更改两个参数来操纵每个计算机模拟侦察人员的行为：信息负载参数和消息错误参数。信息负载参数定义了侦察人员发送的自发消息数量，消息错误参数定义了消息的真值。 - 脚本：在当前版本的C3FIRE中，有一些硬编码的脚本可以由场景事件激活。脚本是与模拟结合工作的程序性事件描述，对灭火单位和侦察人员的活动做出反应。如果发生某些特殊事件序列，脚本会激活从模拟参与者发送的预定义文本消息。脚本可用于激活特定的教学定义的活动或指令序列。 ### 7.3 回放 会话期间的所有重要事件都存储在日志文件中，包括所有通信、位置、活动和可记录的意图。存储的信息足够详细，可以回放整个会话。回放功能应在会话后的汇报阶段使用。回放中显示的信息包括时间、带有火灾状态的地图、天气以及指挥人员、灭火单位和侦察人员收到的消息。 以下是C3FIRE会话管理流程的mermaid流程图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(定义会话):::process --> B(配置文件设置):::process A --> C(场景文件设置):::process B --> D(静态参数设置):::process C --> E(动态事件设置):::process D --> F(运行会话):::process E --> F F --> G(记录日志):::process G --> H(会话回放):::process ``` 通过以上对C3FIRE微世界的介绍，我们可以看到它在森林灭火模拟和分布式决策研究与训练方面具有丰富的功能和应用潜力。无论是对环境的模拟、组织架构的设计，还是用户界面和会话管理的设置，都为相关研究和训练提供了一个全面而可控的平台。 ## 8. 总结与展望 C3FIRE微世界作为一个森林灭火模拟系统，为分布式决策和态势感知的研究与训练提供了丰富的功能和应用场景。它通过模拟森林火灾环境，涵盖了植被、房屋、风、火灾、灭火单位和侦察人员等多种元素，构建了一个复杂而真实的场景。同时，其层级分明的组织架构和灵活的用户界面设计，使得不同角色的参与者能够在系统中有效地进行协作和决策。 ### 8.1 系统优势 - **高度模拟真实场景**：C3FIRE通过对地理环境、火灾行为、天气条件等多方面的细致模拟，为用户提供了一个接近真实森林灭火情况的环境。不同类型的植被和房屋设置增加了决策的复杂性，风对火灾蔓延的影响也使得灭火任务更加具有挑战性。 - **支持分布式决策**：系统将灭火任务分配给不同层级的人员，包括指挥人员和灭火单位负责人，促进了团队协作和分布式决策的实践。这种设计有助于培养参与者在复杂环境下的团队合作能力和决策能力。 - **灵活的会话管理**：通过配置文件和场景文件，用户可以灵活地控制会话的各种参数，包括地理环境、火灾行为、模拟参与者的行为等。同时，系统的回放功能使得用户能够对会话进行复盘和分析，进一步提高训练效果。 ### 8.2 潜在应用领域 - **军事训练**：C3FIRE保留了军事训练系统中的关键特征，可用于军事人员在分布式决策和指挥控制方面的训练。通过模拟复杂的战场环境，帮助军事人员提高应对紧急情况的能力。 - **应急管理培训**：对于消防部门、应急救援机构等，C3FIRE可以作为一个有效的培训工具，帮助他们在模拟环境中进行灭火和应急响应的训练，提高团队协作和决策能力。 - **学术研究**：该系统为学术研究提供了一个实验平台，研究人员可以利用C3FIRE进行分布式决策、认知心理学等方面的研究，探索人类在复杂环境下的决策行为和认知过程。 ### 8.3 未来发展方向 - **增加更多的场景和元素**：可以进一步丰富系统的场景和元素，例如增加更多类型的自然灾害、不同的地形条件等，以提高系统的复杂性和真实性。 - **引入人工智能技术**：利用人工智能技术来模拟更加智能的火灾行为和模拟参与者的行为，提高系统的挑战性和适应性。 - **加强与其他系统的集成**：可以将C3FIRE与其他相关系统进行集成，例如地理信息系统（GIS）、气象预报系统等，以获取更准确的环境信息，进一步提高模拟的真实性。 ### 8.4 操作建议 为了更好地使用C3FIRE系统，以下是一些操作建议： 1. **熟悉系统配置**：在开始使用系统之前，仔细阅读配置文件和场景文件的说明，了解如何设置各种参数，以创建适合自己需求的会话。 2. **进行多次训练**：通过多次进行会话训练，熟悉系统的操作流程和各种元素的特点，提高自己的决策能力和团队协作能力。 3. **利用回放功能**：在每次会话结束后，利用系统的回放功能进行复盘和分析，总结经验教训，不断改进自己的决策策略。 4. **参与团队协作**：积极参与团队协作，与其他参与者进行有效的沟通和协作，共同完成灭火任务。 ### 8.5 总结 C3FIRE微世界是一个功能强大、应用广泛的森林灭火模拟系统。它为分布式决策和态势感知的研究与训练提供了一个全面而可控的平台，具有高度模拟真实场景、支持分布式决策、灵活的会话管理等优势。未来，随着技术的不断发展，C3FIRE有望在更多领域得到应用，并不断完善和发展。 以下是C3FIRE系统优势、应用领域和发展方向的表格总结： | 类别 | 具体内容 | | ---- | ---- | | 系统优势 | 高度模拟真实场景、支持分布式决策、灵活的会话管理 | | 潜在应用领域 | 军事训练、应急管理培训、学术研究 | | 未来发展方向 | 增加更多场景和元素、引入人工智能技术、加强与其他系统集成 | 通过以上的介绍和分析，我们可以看到C3FIRE微世界在森林灭火模拟和相关研究与训练方面具有重要的价值和潜力。无论是对于专业人员的培训，还是学术研究的开展，都提供了一个有力的工具和平台。希望更多的用户能够了解和使用C3FIRE系统，共同推动分布式决策和态势感知领域的发展。