23、应急管理培训的微观世界系统：C3FIRE项目解析

应急管理培训的微观世界系统：C3FIRE项目解析

1. 模拟系统的需求总结

从不同角度来看，基于计算机的模拟培训系统有不同的需求：
- 受训人员角度 ：系统应生成合适的任务环境行为，让受训人员基于此创建任务的心理模型，进而转化为专业知识和技能。培训环节应包含支持教学策略的情景序列。
- 培训经理角度 ：系统需具备控制功能，以便为培训环节定义教学策略。在规划过程中，培训经理要能定义描述主要培训问题、重要情景和活动以及教学策略的场景。在培训期间，能跟踪并引导培训朝着目标情景发展。
- 培训助理角度 ：计算机模拟系统要帮助培训助理模拟现实世界的活动，包含他们需模拟的角色和对象。用户界面应与用户的工作和思维抽象层次相符，同时系统要协助培训助理理解模拟活动的教学重要性并协调他们的活动。

2. C3FIRE项目概述

2.1 项目背景与目标

研究结果促使开发微观世界模拟系统。微观世界可用于展示基于计算机的模拟系统如何为应急管理培训开发和使用。C3FIRE旨在为应急管理人员生成任务环境，其目标是研究在微观世界中如何通过模拟代理生成合适的信息流，以支持应急管理组织的态势感知培训。该项目以森林火灾应急管理为领域示例，重点在于展示应急管理中态势感知的实践方式，而非特定领域的培训方法。

2.2 C3FIRE环境介绍

C3FIRE可视为森林火灾领域的指挥、控制和通信实验模拟环境，基于D3FIRE微观世界。它可用于生成培训环节，让森林火灾组织练习指挥和控制消防单位。模拟场景包括森林火灾、有房屋的环境、不同植被、侦察人员和消防单位。运行系统的人员分为受训人员和作为培训助理的消防单位负责人。受训人员的任务是全面了解情况，协调和安排消防单位灭火并拯救房屋。培训助理与受训人员以及计算机模拟的消防单位和侦察人员沟通，受训人员通过培训助理提供的信息了解情况。其培训环境如下所示：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(Trainees):::process -->|Communication| B(Training manager):::process
    A -->|Communication| C(Role playing training assistants):::process
    C -->|Communication| D(Computer simulation):::process
    A -->|Command| E(Fire - fighting units):::process
    A -->|Command| F(Reconnaissance persons):::process
    D -->|Simulation| E
    D -->|Simulation| F
    D -->|Simulation| G(Fire):::process

3. C3FIRE的需求与目标

3.1 需求

• 任务环境需求
  • 动态环境 ：决策应在动态环境中进行，目标系统和应急组织都是复杂的动态系统，会自主变化或因行动而改变。
  • 分布式决策 ：应急组织的决策任务应分布在多个人员中，属于团队决策，成员角色、任务和信息不同。
  • 时间尺度 ：决策者应在不同时间尺度上工作，工作人员负责战略思考和协调下属，下属负责短期的低级操作。
• 计算机模拟支持 ：为创建合适的任务环境模拟，角色扮演培训助理需要计算机模拟支持，模拟应能模拟下属单位。
• 会话控制 ：任务环境模拟应得到控制，以生成所需情景，帮助培训经理定义任务环境应生成的情景类型。

3.2 培训目标

C3FIRE的培训目标基于战术推理过程中的态势评估。受训人员应体验火灾行为、消防组织的工作方式以及如何搜索和获取系统信息。态势评估过程分为三个战术推理阶段：
- 当前状态 ：包括火灾位置、地理环境、天气以及消防单位的位置和状态等信息。
- 演变可能性 ：描述火灾未来可能燃烧的区域，森林火灾的蔓延速度和方向主要取决于植被和天气。
- 风险分析 ：工作人员需具备分析情况和识别当前或近期风险的能力。

实验环节还让受训人员体验不同的信息负载水平及其对工作时间压力的影响，通过改变模拟侦察人员发送给消防单位负责人的消息数量来实现信息负载的变化。

4. 系统开发

4.1 任务环境模拟

C3FIRE培训环境的模拟职责由计算机模拟和角色扮演培训助理分担。模拟实体包括：
- 森林火灾：由计算机模拟完成。
- 消防单位：由计算机模拟和培训助理共同完成。
- 侦察人员：由计算机模拟代理完成。
- 消防单位负责人：由角色扮演培训助理完成。
- 平民：由计算机模拟完成。

计算机模拟为培训助理提供合适的信息流，培训助理扮演消防单位负责人角色，利用计算机模拟收集目标系统信息并指挥下属单位。

4.2 代理模拟

计算机模拟的角色分为三类：
| 类别 | 特点 | 代表角色 |
| ---- | ---- | ---- |
| 能接受命令、改变目标系统并报告状态 | 可灭火并报告目标系统火灾状态，行动由受训人员控制 | 消防单位 |
| 能接受命令并报告状态 | 可提供火灾和地理环境信息，行动由受训人员控制 | 侦察人员 |
| 只能报告目标系统状态 | - | 外部代理 |

4.3 信息生成

C3FIRE的信息提供过程分为静态和动态控制过程。信息分为四类：
- 正常信息 ：由模拟角色生成，不考虑培训目标，用于构建任务环境的正常信息流。
- 帮助信息 ：帮助受训人员进行决策。
- 制造问题信息 ：为受训人员制造决策问题。
- 知识检查信息 ：用于检查受训人员的知识状态。

这些信息格式相同，受训人员无法区分其类别。

4.4 会话控制

C3FIRE的控制结构用于定义和引导培训环节朝着特定培训目标发展，采用以下机制：
- 场景 ：通过场景控制会话期间的系统行为，如控制天气和侦察人员行为，还可包含特定时间发送的文本消息。
- 模拟侦察人员 ：计算机模拟的侦察人员为培训助理提供信息，其行为可通过信息内容、信息负载和信息错误三个参数进行操作。
- 脚本 ：当前版本中有静态编码的脚本，可由场景事件激活，根据消防单位和侦察人员的活动发送静态文本消息。

4.5 开发结果

在C3FIRE的设计和实施中，建模复杂社会系统有三个重要方面：
- 抽象层次 ：模拟无法包含所有相关变量，需在合适的分解层次上进行主观描述，错误的层次或定义不明确的变量会显著改变模拟行为。
- 变量定义 ：模拟需要具体的变量值，模型设计和模拟构建难以分离，模型设计者应与模拟实现者密切合作。
- 行为验证 ：模拟系统缺乏透明度，因果模型常具原型性质，行为验证很重要，C3FIRE的开发和实验中，需通过交互式测试评估策略来预测模拟行为。

5. C3FIRE的评估

进行了一项研究，15个小组每组使用C3FIRE工作2小时。实验目标是研究应急组织内不同沟通策略下分布式决策的变化，以及C3FIRE环境的表现。作为培训系统，C3FIRE评估的主要目标是研究从计算机模拟到受训人员的信息流，具体评估目标如下：
- C3FIRE生成的任务环境是否为工作人员和应急组织创造了合适的决策情景？
- 在C3FIRE环境中，侦察人员生成的消息是如何被处理的？

5.1 任务环境评估

实验结果清晰表明，C3FIRE微观世界生成了合适任务环境的标准。它创造了动态环境和分布式决策环境，同时产生了两个时间尺度，即工作人员层面和消防单位负责人层面。火灾的演变符合预期，以下是其具体表现的流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(Dynamic context):::process --> B(Distributed decision - making):::process
    A --> C(Two time - scales):::process
    B --> D(Proper decision situations):::process
    C --> D

这意味着C3FIRE在任务环境的模拟上达到了预期的效果，能够为应急管理培训提供一个接近真实情况的环境。在动态环境方面，目标系统和应急组织的复杂动态变化使得决策过程充满挑战，如同在真实的森林火灾应急管理中一样。分布式决策环境则要求团队成员之间进行有效的沟通和协作，以应对不同的情况。两个时间尺度的设置，让工作人员和消防单位负责人能够在不同的层面上进行思考和行动，提高了培训的针对性和有效性。

5.2 消息处理评估

关于侦察人员生成的消息处理情况，虽然文中未详细给出具体评估结果，但可以推测，消息的处理方式对于受训人员的决策过程至关重要。不同类型的信息，如正常信息、帮助信息、制造问题信息和知识检查信息，在受训人员的决策中可能会起到不同的作用。例如，帮助信息可以辅助受训人员做出更准确的决策，而制造问题信息则可能促使他们思考更多的解决方案。由于这些信息的格式相同，受训人员无法区分其类别，这就要求他们在处理信息时具备更强的分析和判断能力。

6. 总结与展望

6.1 C3FIRE的优势总结

• 高度模拟真实场景 ：C3FIRE通过微观世界模拟系统，成功地模拟了森林火灾应急管理的真实场景，包括动态环境、分布式决策和不同时间尺度等重要特征。这使得受训人员能够在接近真实的环境中进行培训，提高了培训的效果和实用性。
• 多样化的信息支持 ：系统提供了多种类型的信息，如正常信息、帮助信息、制造问题信息和知识检查信息，为受训人员的决策过程提供了丰富的支持。同时，信息的生成方式分为静态和动态，能够根据不同的情景和培训目标进行调整。
• 灵活的控制机制 ：C3FIRE的控制结构采用了场景、模拟侦察人员和脚本等机制，能够有效地定义和引导培训环节朝着特定的培训目标发展。培训经理可以根据需要调整系统的行为，以满足不同的培训需求。

6.2 未来发展方向

• 进一步优化模拟模型 ：虽然C3FIRE在模拟真实场景方面取得了一定的成果，但在建模复杂社会系统时仍然面临一些挑战，如抽象层次的选择、变量的定义和行为的验证等。未来可以进一步优化模拟模型，提高模型的准确性和可靠性。
• 加强信息处理研究 ：对于侦察人员生成的消息处理情况，还需要进行更深入的研究。了解受训人员如何处理不同类型的信息，以及信息对决策过程的影响，有助于进一步优化信息生成和提供的方式。
• 拓展应用领域 ：目前C3FIRE主要应用于森林火灾应急管理领域，未来可以考虑将其拓展到其他应急管理领域，如地震、洪水等，以提高系统的通用性和适用性。

6.3 对培训行业的启示

C3FIRE的成功开发和应用为应急管理培训行业提供了一个很好的范例。它展示了如何利用计算机模拟技术创建一个高度模拟真实场景的培训环境，为受训人员提供更加有效的培训。其他培训领域也可以借鉴C3FIRE的经验，开发类似的模拟培训系统，以提高培训的质量和效果。同时，C3FIRE也强调了在培训过程中，不仅要注重知识的传授，还要注重培养受训人员的实际操作能力和决策能力。

总之，C3FIRE项目为应急管理培训提供了一种创新的方法和工具，具有广阔的应用前景和发展潜力。通过不断地优化和改进，相信它将在应急管理培训领域发挥更加重要的作用。