知识驱动与情景模拟融合的城乡交界域火灾动态风险建模与应急管理创新研究

本文提出一种融合知识图谱（KG）与火行为仿真的WUI（Wildland-Urban Interface）火灾动态风险评估框架，通过构建火灾系统本体模型和时空语义图数据库（FireSTS），实现多源异构数据融合与灾害情景推演。该研究突破传统静态评估局限，耦合环境-人类-火灾多维交互机制，为城乡交界域防灾减灾提供实时精准的决策支持。

　　

Highlight

传统WUI火灾风险评估方法存在明显局限性。统计模型依赖历史火灾数据和静态环境变量（如植被类型、坡度），虽能揭示火灾发生的长期驱动因素，但难以捕捉突发事件或在多情景条件下提供实时评估。物理模型（如基于流体动力学的火蔓延模拟）可表征火灾传播过程，但往往孤立单一要素（如可燃物特性），且常忽略社会-环境耦合相互作用（如人口流动、建筑密度）。因此，现有方法缺乏动态性和综合性，限制了其支持应急管理实时感知与精准预警的能力。

WUI fire system

灾害的发生与演化源于多因素复杂相互作用。在自然灾害研究领域，史培军（2002）提出了一个广受认可的理论框架，指出灾害系统由致灾因子、承灾体和孕灾环境构成。WUI火灾系统涵盖森林和建筑火灾子系统，可运用该理论进行分析。从公共安全视角看，WUI火灾管理需统筹生态与社会维度。

Case study

为验证所提方法的有效性，我们以2019年3月30日北京丫吉山景区“3.30”火灾为案例开展研究。整合火灾期间的多源数据，运用GIS技术提取火灾相关数据，并构建了WUI动态风险评估知识图谱。通过耦合火灾模拟与语义推理，实现了多情景下的实时火行为预测与动态风险评估。

Discussion

传统WUI火灾风险评估主要依赖静态数据集或单一模型方法，难以捕捉“火灾-人类-环境”耦合系统的复杂性（Radeloff et al., 2018; Schoennagel et al., 2017）。本研究的核心贡献有三方面：（1）知识元建模与知识图谱的融合：通过开发WUI火灾情景模拟的知识元模型，将离散的火行为规则、环境参数与人类活动数据转化为结构化知识网络；（2）动态风险语义推理机制：依托时空语义图数据库（FireSTS）实现风险指标的实时更新与多维度关联分析；（3）跨尺度情景仿真能力：支持从细胞单元到区域尺度的火蔓延模拟与暴露度量化，显著提升风险评估的时空精度与应急响应效率。

Conclusion

本研究通过整合知识建模、火行为模拟与多源数据融合，针对城乡交界域（WUI）动态 wildfire 风险评估的核心需求，开发了综合性动态风险评估框架。主要发现如下：

（1）知识元模型与知识图谱构建：以地理空间细胞为基本单元，开发了整合火蔓延规则、环境因子与人类暴露语义的知识元模型，支撑多源异构数据的统一表征与动态推演；

（2）火灾-环境-人类耦合机制解析：通过知识驱动的情景仿真，揭示了WUI区域燃料连续性、建筑密度与人口流动对火行为演化的协同影响；

（3）实时风险评估与决策支持：FireSTS系统实现了火线演进、灾害强度与承灾体暴露度的分钟级动态可视化，为应急疏散与资源调度提供科学依据。