Wildfire simulation software for intermittently connected networks

Abstract

This thesis presents three contributions to the development of modular wildfire simulation software. The first is a Wildfire Simulation Ontology-WSO, a domain ontology implemented as a software module that provides structured representations of the environmental components relevant to wildfire simulation. WSO addresses the heterogeneity inherent in crowdsourced observations arriving in diverse geometric formats, at varying spatial resolutions, and with inconsistent attribute vocabularies. Its aim is to normalize them into semantically consistent, GeoJSON encoded outputs that can be directly consumed by downstream simulation software components. The second component is a data fusion pipeline that resolves the record linkage problem arising when multiple participants independently describe the same feature at overlapping or proximate times. Raw crowdsourced data are inherently redundant and geometrically inconsistent, so they must be linked to a single representative geometric representation before they can serve as simulation inputs. We address this problem as a two-stage density-based clustering of WSO instances, followed by a contour correspondence process based on Ant Colony Optimization that reconstructs a semantically consistent representation of the geometric primitives that can serve as an input to the simulation engine. The third software component is a real-time calibration engine that keeps the simulator continuously aligned with observed fire behavior as new field data arrives. The wildfire simulator is implemented as a Cellular Automata (CA) model, in which the temporal evolution of simulation cells is governed by a set of continuous parameters encoding fuel ignitability, wind coupling coefficients, and topography. In conventional software, these parameters are fixed and cannot be adapted to reduce any divergence between the simulated and observed fire behavior. We propose a dynamic fine-tuning mechanism based on Ant Colony Optimization for Continuous Domains that searches the parameter space to identify the optimal parameter configuration, and show that it can be applied to diverse CA-based simulation models.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει τρεις συνεισφορές στην ανάπτυξη αρθρωτού λογισμικού προσομοίωσης δασικών πυρκαγιών. Η πρώτη είναι η Wildfire Simulation Ontology—WSO, μια οντολογία υλοποιημένη ως υπομονάδα λογισμικού, η οποία παρέχει δομημένες αναπαραστάσεις των περιβαλλοντικών στοιχείων που σχετίζονται με την προσομοίωση πυρκαγιών. Η WSO αντιμετωπίζει την ετερογένεια των πληθοποριστικών παρατηρήσεων, οι οποίες καταφθάνουν σε διαφορετικές γεωμετρικές μορφές, με διαφορετικές χωρικές αναλύσεις και ασυνεπείς λεξιλογικές αναπαραστάσεις. Στόχος της είναι η κανονικοποίησή τους σε σημασιολογικά συνεπείς αναπαραστάσεις κωδικοποιημένες σε GeoJSON, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα από τα επόμενα επίπεδα του λογισμικού προσομοίωσης. Η δεύτερη συνεισφορά είναι μια υπομονάδα ενοποίησης δεδομένων που επιλύει το πρόβλημα αντιστοίχισης εγγραφών, το οποίο προκύπτει όταν πολλοί συμμετέχοντες περιγράφουν ανεξάρτητα το ίδιο χαρακτηριστικό σε χρονικά επικαλυπτόμενες ή κοντινές στιγμές. Τα πρωτογενή πληθοποριστικά δεδομένα είναι εγγενώς πλεονασματικά και γεωμετρικά ασυνεπή, επομένως πρέπει να αντιστοιχιστούν σε μία ενιαία αντιπροσωπευτική γεωμετρική αναπαράσταση πριν χρησιμοποιηθούν ως είσοδοι στην προσομοίωση. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται μέσω διβάθμιας συσταδοποίησης βάσει πυκνότητας των στιγμιοτύπων της WSO, ακολουθούμενης από διαδικασία αντιστοίχισης περιγραμμάτων με χρήση Βελτιστοποίησης Αποικίας Μυρμηγκιών, η οποία ανακατασκευάζει μια σημασιολογικά συνεπή αναπαράσταση των γεωμετρικών πρωτογενών στοιχείων. Η τρίτη συνεισφορά είναι ένας μηχανισμός βελτιστοποίησης των παραμέτρων πραγματικού χρόνου, ο οποίος διατηρεί τον προσομοιωτή συνεχώς ευθυγραμμισμένο με την παρατηρούμενη συμπεριφορά της πυρκαγιάς καθώς καταφθάνουν νέα δεδομένα πεδίου. Ο προσομοιωτής υλοποιείται ως μοντέλο Κυψελωτών Αυτομάτων, στο οποίο η χρονική εξέλιξη των κυψελών καθορίζεται από ένα σύνολο συνεχών παραμέτρων που κωδικοποιούν την αναφλεξιμότητα της καύσιμης ύλης, την επίδραση του άνεμου και της τοπογραφίας. Στο συμβατικό λογισμικό, οι παράμετροι αυτοί παραμένουν σταθερές και δεν μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να μειωθεί η απόκλιση μεταξύ της προσομοιωμένης και της παρατηρούμενης συμπεριφοράς της πυρκαγιάς.