Программные обучающие комплексы лесопирологического профиля

УДК 634.0.43+662.612/63 Г.А. Доррер, Т.Н. Иванилова

ПРОГРАММНЫЕ ОБУЧАЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ ЛЕСОПИРОЛОГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

Представлены компьютерные системы, предназначенные для использования в обучении специалистов лесохозяйственного профиля основным понятиям, способам и тактике борьбы с лесными пожарами. Системы позволяют создавать сценарии развития лесопожарной ситуации, оценивать принимаемые персоналом решения по выбору методов и средств борьбы с пожаром и отображать динамическую ситуацию с помощью ГИС-компонента. В работе представлены математические модели, имитирующие распространение лесного пожара, прошедшие проверку на результатах натурных экспериментов лесного пожара и показавшие хорошее приближение прогнозирования его распространения. В процессе обучения могут использоваться также современные интерактивные средства обучения.

Введение. При подготовке специалистов, деятельность которых связана с лесом и лесным хозяйством, возникает необходимость использования в обучении реальных природных объектов или их моделей. Например, задачи лесной пирологии требуют проведения ряда экспериментов в реальных природных условиях для получения данных о влиянии на распространение пожара погодных условий, лесного горючего материала, рельефа местности и т.п. Очевидно, что проведение таких экспериментов приведет к дополнительному финансированию, нанесет ущерб лесу. Поэтому актуальным является использование компьютерного моделирования ситуаций лесных пожаров, сопровождающегося расчетами по затратам необходимых для тушения сил и средств, ущерба от лесного пожара и т.п.

Современные образовательные системы представляют собой совокупность как новых методов обучения, так и использование последних достижений в области информационных технологий. В обучении могут быть использованы и простые электронные учебники, и обучающие системы, имеющие в своем арсенале виртуальные классные комнаты, возможности планирования учебного процесса, тестирующие и моделирующие комплексы.

В данной статье рассматриваются результаты работы по двум направлениям: разработка компьютерных систем, моделирующих лесопирологическую ситуацию, и использование обучающей среды Learning Space.

Компьютерный тренажер «Тайга-2». Система «Тайга-2» предназначена для обучения основам тактики борьбы с лесными пожарами. Основные компоненты системы состоят из следующих модулей.

Модуль «Техника» предназначен для ведения информации о следующих видах техники: пожарная мотопомпа; пожарная автоцистерна, пожарный плуг, пожарная авиация, пожарный катер, транспорт.

Модуль «Сценарий» является одним из основных модулей системы. Он предназначен для создания сценариев, которые будут использоваться обучаемыми при создании сеанса игры. Создание сценария подразумевает моделирование обстановки распространения пожара, включающей задание очага возгорания на выбранной карте местности, задание метеоусловий, выбор техники локализации и тушения, которые будут доступны обучаемым, задание временных событий, таких, как изменения метеоусловий, пожара, появление новых очагов, выход из строя техники. Функции модуля: задание описания сценария; задание карты местности; задание метеоусловий; задание параметров пожара; задание начальных контуров пожара путем прорисовки их на карте; выбор техники, доступной при локализации; задание начальных координат расположения техники; задание изменений параметров игры во времени.

Модуль «Характеристики пожара» обеспечивает ведение справочной информации о типах пожара, классах интенсивности пожара, моделях расчета.

Утилита «Менеджер карт» осуществляет создание модели карты в любой из ГИС-систем, которые могут сохранять или экспортировать данные в формат MapInfo. Утилита «Менеджер карт» входит состав системы «Тайга 2» в качестве отдельной программы и предназначена для импорта и просмотра моделей карт, на которых производится моделирование игровой ситуации. Утилита выполняет следующие функции: загрузка слоев карты в БД; просмотр карты; удаление, добавление слоев в карту.

Утилита «Администратор», основное назначение которой - разграничение прав доступа на использование компонент системы. Утилита выполняет следующие функции: создание ролей; назначение списка

прав на использование компонент системы; добавление информации о пользователе; назначение роли пользователю.

Модуль «Результаты сеансов» предназначен для просмотра заданий и результатов игры пользователей. Он выполняет следующие функции: отображение списка созданных сеансов игры; просмотр задания игры; просмотр и печать результатов.

Система «Тайга-2» имеет клиент-серверную архитектуру. В качестве централизованного хранилища данных используется СУБД - Microsoft SQL Server 2000. Среда разработки - Borland Delphi 6. В качестве встраиваемого ГИС-компонента была выбрана программа Gkernel, разработанная в ИВМ СО РАН.

Представим математические методы и модели, используемые в системе. Наибольшее значение в лесной пирологии имеет прогноз поведения низовых пожаров, поскольку на их долю приходится около 80% всех пожаров растительности (практически все верховые пожары развиваются из низовых).

Поэтому для расчета скорости распространения кромки низового пожара были выбраны модели Р. Ротермела и М.А. Софронова [1].

Модель Ротермела дает величину наибольшей скорости, а модель Софронова - величину в четырех направлениях (фронт, тыл и фланги). В данном проекте выбираем максимальную скорость, т.е. скорость в направлении наиболее быстрого распространения огня.

В связи с этим при расчетах контуров пожаров приходится дополнительно вводить специальную функцию - индикатрису распространения, учитывающую зависимость скорости от угла, образованного направлением распространения и ветром [2].

Вычисление скорости распространения огня недостаточно для визуального отображения контура на карте, поэтому был выбран алгоритм, основанный на методе подвижных сеток. Основная идея описываемого метода состоит в том, что расчетная сеточная область не задается заранее, а определяется решением задачи, двигаясь и развиваясь вместе с ним.

Рис. 1. Пример моделирования процессов распространения и локализации пожара

в системе «Тайга 2»

Алгоритм поиска пути локализации состоит из следующих шагов:

построение области достижимости противопожарной техники и контура лесного пожара в одном временном пространстве;

нахождение пересечений двух процессов: техники и контура пожара; т построение изохрон по найденным точкам пересечения, в зависимости от направления обхода;

представление изохроны как начального положения техники; т построение области достижимости от изохроны и контура пожара;

- выполнение действий предыдущих пунктов. Действия повторяются до тех пор, пока область достижимости последней изохроны достигнет точки начала локализации быстрее, чем область достижимости контура пожара;

т попятное движение, заключающееся в построении нормалей к изохронам, из конечной точки локализации до начальной.

т последовательность нормалей определяет оптимальную траекторию движения противопожарных средств, а точки их пересечения с изохронами - точки расположения этих средств в момент начала атаки на пожар.

Компьютерная игра «Лесопирологические учения». Данная игра имитирует возникновение и распространение пожара по лесной территории, а также позволяет тушить распространяющийся пожар некоторыми из существующих способов.

Как известно, на распространение лесного пожара оказывает воздействие большое количество разнообразных факторов, учесть влияние каждого из которых не представляется возможным. Поэтому в работе используется математическая модель, описывающая распространение пожара по лесной территории множественным случайным процессом [3].

Входными данными для моделирования являются: карта лесной территории, разбитая на участки с однородными правилами распространения горения; очаг пожара; вероятность распространения горения для всех однородных участков; время моделирования.

Распространение горения рассматривается по узлам дискретной решетки, накладываемой на карту лесной территории. В любой дискретный момент времени t состояние процесса случайного распространения (ПСР) задается случайным конечным множеством К . Причем К включает в себя все участки лесной территории, горящие или сгоревшие к моменту I В дальнейшем будем называть его М-контуром пожара. Тогда, моделируя М-контуры К1, К2,..., К в последовательные дискретные моменты времени, получим реализацию распространения лесного пожара до момента ^

К объединяет множественное состояние в предыдущий (И) момент времени и локальные распространения из всех «горящих» на рассматриваемый момент времени t узлов [5]. Локальное распространение процесса определяют вероятности локального распространения. Каждая из которых характеризует вероятность перехода горения из любого узла за один момент времени в пределах локальной окрестности.

Осуществляя несколько реализаций К*, проводим расчет его «среднего» состояния - среднемерного множества, которое и будет представлять прогнозируемый контур распространения пожара в момент I В процессе создания компьютерной игры реализованы следующие мероприятия: т Разработка стратегии лесопирологической игры.

Обработка карт местности.

•г Реализация вероятностно-множественного моделирования распространения лесного пожара.

Осуществление программной организации анимации игровых персонажей.

•г Проведение алгоритмизации и разработки компьютерной версии игры.

Организация оценки результатов игры.

Предложенная стратегия игры состоит из следующих этапов: т выбор игровой карты;

расстановка пожарных баз; т распределение ресурсов тушения по расставленным базам;

начало моделирования процесса распространения пожара; т выбор и расстановка пользователем ресурсов на местах возгорания для тушения пожара;

по окончании тушения пожара - определение ущерба, понесенного пользователем при выбранной расстановке сил.

В компьютерной игре считалось, что ущерб, понесенный от пожара, складывается из: т стоимости сгоревшей древесины (непосредственный ущерб);

затрат на тушение пожара; т затрат на ликвидацию последствий (расчистка, искусственное восстановление лесонасаждений).

В игре существует возможность работы с такими объектами, как пожарная база, самолет, грейдер, пожарный, динамитная шашка. Из перечисленных объектов пожарная база и динамическая шашка являются статическими объектами, а самолет, пожарный и грейдер - динамическими.

Карта, использующаяся в игре, представляет собой территорию Большемуртинского района Красноярского края. Формирование карты происходило с использованием компьютерных карт местности и

характеристик выделов. Данные были представлены Институтом леса и древесины СО РАН. После обработки полученных данных составлена карта, разбитая на участки с однородными правилами распространения горения. При этом учитывались рельеф местности, состав растительности, наличие инженерных сооружений, водные участки и т.п.

Данная игра разрабатывалась в СибГТУ, в рамках магистерской диссертации (Оводова А.В., 2000).

Компьютерная обучающая лесопирологическая система, функционирующая в среде LearningSpace. Система функционирует в среде LearningSpace на платформе Lotus Notes/Domino версия 2.5. Работа системы может осуществляться в демонстрационном и обучающем режиме, причем выбор режима проводит обучаемый. В структуру системы включен теоретический материал, содержащий теоретические сведения по разделам лесной пирологии и математического моделирования. Разработанная система позволяет оценить результаты обучаемого.

Обучающая система лесопирологического тренажера состоит из двух разделов. Обучение может проводиться как последовательное выполнение заданий по первому и второму разделам, также может осуществляться независимая работа по выбранному разделу.

Первый раздел - это работа в пяти специализированных базах Lotus Notes, использующихся в обучающей оболочке LearningSpace.

База данных Schedule представляет собой центральный модуль системы, позволяющий участникам просматривать учебные материалы и упражнения, участвовать в тестах, решать задачи и проводить исследования. База данных Schedule отражает структуру курса обучения, созданную преподавателем.

В представляемом лесопирологическом тренажере Schedule содержит задания и вопросы по темам: формы лесных пожаров, виды его распространения, понятия лесной пирологии, основные математические модели лесных пожаров и т.п. База содержит более 30 вопросов и заданий. Ответы на вопросы могут быть даны в форме "Да - Нет", в форме выбора ответа из ряда возможных или в форме текстового фрагмента, который после оценивается преподавателем. Из этого документа можно перейти в базу данных MediaCenter для просмотра необходимой теории, используя соответствующую ссылку.

В базе данных MediaCenter лесопирологического тренажера хранится теоретический материал по темам: понятия лесной пирологии, методы математического моделирования лесных пожаров, принципы вероятностно-множественного моделирования распространения лесного пожара. Теоретический материал снабжен необходимыми формулами, ссылками на литературу, примерами.

База данных CourseRoom представляет собой интерактивную среду, в которой слушатели ведут дискуссии между собой и с преподавателем, а также совместно решают задачи и выполняют различные задания. В базе данных CourseRoom преподаватель может контролировать успехи слушателей, отвечать на вопросы слушателей, участвовать в обсуждениях и выставлять оценки.

База данных Profiles содержит информацию о слушателях и преподавателях, в том числе данные для контактов (адрес, номер телефона и т.д.), фотографии и сведения о ходе обучения, полученном опыте и увлечениях. База данных Profieles составляется по желанию слушателя или преподавателя, позволяет познакомиться ближе, дает возможность дополнительного общения.

База данных Assessment Manager является средством, с помощью которого преподаватели оценивают работу каждого слушателя и сообщают ему результаты. Материалы для контрольных работ, зачетов и экзаменов направляются слушателям через базу данных Schedule, а выполненные работы передаются для проверки по электронной почте в базу данных Assessment Manager. Assessment Manager необходима для оценивания результатов обучения. Преподаватели оценивают работу каждого слушателя и сообщают ему результаты.

Второй раздел лесопирологического тренажера - программные модули, реализованные на языке программирования Delphi и встроенные в оболочку LearningSpace, позволяющие обучать в двух режимах: демонстрационном и обучающем.

В демонстрационном режиме проводится численное вероятностно-множественное моделирование распространения множественного контура (М-контура) лесного пожара. Слушатель сам задает очаг пожара, вероятности распространения и воспламенения, карту лесопирологических однородностей. Другие параметры обучаемый также может выбрать сам.

В обучающем режиме слушатель задает условия распространения: начальный контур пожара (точку или множество), направления ветра (в градусах к горизонту), скорости распространения (в виде локальных вероятностей распространения), время моделирования. Считая условия заданными, обучаемый рисует (используется графический редактор Paint) предполагаемый М-контур пожара в заданный ранее момент времени. При этих же условиях проводится численная реализация контура системой. Сравнение

рисованного и модельного контуров осуществляется как визуально (на одном рисунке выдаются два М-контура), так и более точно. В этом случае оценивается погрешность прогнозирования, а именно: рассчитываются отклонения М-контуров в областях по восьми направлениям распространения.

Рис. 2. Модельный и рисованный контуры пожара, полученные в обучающем режиме

Заключение. Разработанные программы помогут пользователю различать пожароопасные регионы, научиться прогнозировать распространение лесного пожара, а также имитировать тушение несколькими описанными выше способами. Использование лесопирологического тренажера позволит частично заменить натурные эксперименты, визуально пронаблюдать распространение лесного пожара при различных условиях.

В настоящее время наиболее развиваемой и перспективной для дальнейшего использования можно считать систему «Тайга 2». После заполнения всех баз данных и накопления картографического материала система будет передана заинтересованным организациям.

Литература

1. Доррер, Г.А. Математические модели динамики лесных пожаров / Г.А. Доррер. - М.: Лесная пром-сть, 1979. - 160 с.

2. Доррер, Г.А. Теория распространения лесного пожара как волнового процесса: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / Г.А. Доррер; Ин-т леса и древесины им. В.Н.Сукачева. - Красноярск, 1989. - 48 с.

3. Иванилова, Т.Н. Комплекс программ для моделирования распространения лесного пожара вероятностно-множественными методами / Т.Н. Иванилова // Проблемы информатизации региона: мат-лы конф. -Красноярск: Изд-во КГТУ, 1994. - С. 149-151.

4. Иванилова, Т.Н. Компьютерная обучающая лесопирологическая система / Т.Н. Иванилова, О.Н. Край-ченкова; СибГТУ // Вестн. СибГТУ. - Красноярск, 2000. - С. 131-136.

5. Иванилова, Т.Н. Диалоговая система прогноза лесного пожара / Т.Н. Иванилова // Тр. Европейского конгресса по моделированию. - Прага, 1987. - С. 81-85.

6. Никонов, А.Ю. Система для обучения персонала тактике борьбы с лесными пожарами / А.Ю. Никонов, Д.Н. Сучков, Г.А. Доррер // Сложные системы в экстремальных условиях: тез. докл. XIII Междунар. симп.

- Красноярск, 2006. - С. 53-54.