CN102914217A - 一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法 - Google Patents

一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法，首先搭建灭火弹抛射系统，该系统包括：转塔系统（2）、时序控制模块（6）、液晶显示屏（8）、控制手柄（9）。指挥控制单元（4）依据探测装置（1）测得目标火源的位置信息，驻留于指挥控制计算机（5）的角度解算模块（7）通过解弹体运动学方程和动力学方程的方法求解得到发射所需俯仰角。计算结果作为灭火弹组装架（3）的抛射角执行量，由指挥控制单元（4）发出灭火弹的点火指令，实现灭火弹的抛射投放。本发明可有效简化高层楼宇灭火系统灭火弹控制和操作过程，提高灭火弹抛射投放精度，进而提高灭火系统的整体灭火效能。

Description

一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法
技术领域
本发明涉及一种灭火弹抛射方法，特别是一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法。
背景技术
高层楼宇灭火系统是针对我国城市环境下高层、超高层建筑物消防灭火的严峻形势研制的一种可在城市环境普通路面快速机动部署，具备高效率、大面积扑灭或压制高层、超高层建筑火灾的特种消防灭火系统，其采用向火源目标投放灭火弹的方式。灭火弹的投放精度决定着高层楼宇灭火系统整体灭火效率。现有的灭火弹抛射方法并未使用精确的弹道解算方式，而是通过消防队员根据现场火情的目测判断和实战经验实现，向特定区域“盲发”，存在灭火剂用量大、投放精度低、灭火效率低的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法，解决灭火剂投放精度低、灭火效率低的问题。
一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法，其具体步骤为：
第一步  搭建灭火弹抛射系统
灭火弹抛射系统，包括：探测装置、指挥控制单元、灭火弹组装架、转塔系统、通讯总线A、通讯总线B、通讯总线C；其中，指挥控制单元，包括：指挥控制计算机、时序控制模块、角度解算模块、液晶显示屏、控制手柄。时序控制模块、角度解算模块驻留于指挥控制计算机内，时序控制模块用于控制指挥控制单元的工作流程，该工作流程包括探测装置初始化、发控执行电路自检、通讯总线的配置、与转塔系统通讯；角度解算模块用于解算灭火弹抛射角度。
探测装置置于灭火弹组装架的下方，灭火弹组装架固定在转塔系统上。探测装置通讯接口端与指挥控制单元通讯接口端通过通讯总线A连接；指挥控制单元通讯端与转塔系统通讯接口端通过通讯总线B连接；指挥控制计算机与控制手柄通过通讯总线C连接。
第二步  探测装置对准目标火源
探测装置在控制手柄的控制下，对准目标火源，该对准过程在液晶显示屏上显示，由指挥控制单元通过通信总线A向探测装置发出测距指令，探测装置通过通信总线A向指挥控制计算机回传目标火源到灭火弹的斜线距离                                               
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE002
，同时，转塔系统向指挥控制计算机回传目标的俯仰角。
第三步  角度解算模块计算目标火源的位置信息
角度解算模块根据目标的斜线距离、俯仰角求解得到目标火源相对于灭火弹的高度信息和目标距离发射点的水平距离。求解公式如下：
                             （a）
                                 （b）
式中：为灭火弹组装架的俯仰角，
Figure 332730DEST_PATH_IMAGE002
为斜线距离，
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE010
为目标火源相对于灭火弹的高度信息，为目标与发射点的水平距离。
第四步  角度解算模块进行灭火弹抛射角的求解
角度解算模块求解得到灭火弹抛射角度
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE014
。角度解算模块依据的动力学和运动学方程如下： 
动力学方程
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE016
                              （1）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE018
                  （2）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE020
                  （3）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE022
                                     （4）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE024
                                      （5）
运动学方程
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE026
   （6）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE028
   （7）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE030
                                     （8）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE032
                                            （9）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE034
                                                  （10）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE036
                                                           （11）
式中：u，v，w弹体坐标系下三个轴向的速度分量； 
X，Y，Z发射坐标系下三个轴向的距离分量；
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE038
弹体绕质心转动三个轴向的角速度分量；
φ，ψ，γ弹体的俯仰角，偏航角和滚转角；
q：动压；  参考面积；  
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE042
气流入射角；  
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE044
：压心到质心的距离； 
Figure 514792DEST_PATH_IMAGE002
:全弹长度；   ：偏航阻尼力矩系数；   
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE048
俯仰阻尼力矩系数。
以目标俯仰角和出筒速度、角速度初值作为求解微分方程的初始条件，结合灭火弹的气动参数，使用常微分方程的四阶龙格-库塔数值解法，推算得到全弹道参数，即
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE052
。在计算全弹道参数的过程中，计算在某一俯仰角
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE054
下达到d的射高H。
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE056
                           （12）
Figure 2012103945259100002DEST_PATH_IMAGE058
                        （13）
利用公式（12）判断H与目标高度h0的大小关系，如满足（12）式则停止迭代，当前俯仰角即为发射角；如不满足（12）式，则用公式（13）更新发射俯仰角，重新计算射高H，其中k为当前迭代步数，直到射高H与目标高度h0之差小于0.01m为止。
第四步  灭火弹组装架执行灭火弹抛射
灭火弹组装架通过控制手柄将调转至角度解算模块求解得到的发射角，灭火弹组装架调转结束后，指挥控制单元通过通信总线C向发射控制系统发出点火指令，发射控制系统输出点火电流，启动灭火弹发射。
至此完成了高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射。
本方法可有效简化高层楼宇灭火系统灭火弹控制和操作过程，提高灭火弹抛射投放精度，进而提高灭火系统的整体灭火效能。
附图说明
图1  一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法的灭火弹抛射系统示意图。
1.探测装置   2.转塔系统   3.灭火弹组装架   4.指挥控制单元   5.指挥控制计算机
6.时序控制模块    7.角度解算模块   8.液晶显示屏    9.控制手柄。
具体实施方式
一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法的具体步骤为：
第一步  搭建灭火弹抛射系统
灭火弹抛射系统，包括：探测装置1、指挥控制单元4、灭火弹组装架3、转塔系统2、通讯总线A、通讯总线B、通讯总线C；其中，指挥控制单元4，包括：指挥控制计算机5、时序控制模块6、角度解算模块7、液晶显示屏8、控制手柄9。时序控制模块6、角度解算模块7驻留于指挥控制计算机5内，时序控制模块6用于控制指挥控制单元4的工作流程，该工作流程包括探测装置初始化、发控执行电路自检、通讯总线的配置、与转塔系统2通讯；角度解算模块7用于解算灭火弹抛射角度。
探测装置1置于灭火弹组装架3的下方，灭火弹组装架3安装在转塔系统2上。探测装置1通讯接口端与指挥控制单元4通讯接口端通过通讯总线A连接；指挥控制单元4通讯端与转塔系统2通讯接口端通过通讯总线B连接；指挥控制计算机5与控制手柄9通过通讯总线C连接。
第二步  探测装置1对准目标火源
探测装置1在控制手柄9的控制下，对准目标火源，该对准过程在液晶显示屏8上显示，由指挥控制单元4通过通信总线A向探测装置1发出测距指令，探测装置1通过通信总线A向指挥控制计算机5回传目标火源到灭火弹的斜线距离
Figure 134255DEST_PATH_IMAGE002
，同时，转塔系统2向指挥控制计算机5回传目标的俯仰角。
第三步  角度解算模块7计算目标火源的位置信息
角度解算模块7根据目标的斜线距离、俯仰角求解得到目标火源相对于灭火弹的高度信息和目标距离发射点的水平距离。求解公式如下：
Figure 701633DEST_PATH_IMAGE004
                             （a）
   
Figure 251694DEST_PATH_IMAGE006
                              （b）
式中：
Figure 579340DEST_PATH_IMAGE008
为灭火弹组装架的俯仰角，
Figure 822234DEST_PATH_IMAGE002
为斜线距离，
Figure 939225DEST_PATH_IMAGE010
为目标火源相对于灭火弹的高度信息，为目标与发射点的水平距离。
第四步  角度解算模块7完成灭火弹抛射角的求解
角度解算模块7求解得到灭火弹抛射角度
Figure 418672DEST_PATH_IMAGE014
。角度解算模块7依据的动力学和运动学方程如下： 
动力学方程
Figure 632134DEST_PATH_IMAGE016
                              （1）
Figure 174105DEST_PATH_IMAGE018
                  （2）
Figure 65969DEST_PATH_IMAGE020
                  （3）
Figure 311749DEST_PATH_IMAGE022
                                     （4）
Figure 536643DEST_PATH_IMAGE024
                                      （5）
运动学方程
   （6）
Figure 868322DEST_PATH_IMAGE028
   （7）
Figure 971538DEST_PATH_IMAGE030
                                     （8）
Figure 727136DEST_PATH_IMAGE032
                                            （9）
                                                  （10）
Figure 214716DEST_PATH_IMAGE036
                                                           （11）
式中：u，v，w弹体坐标系下三个轴向的速度分量； 
X，Y，Z发射坐标系下三个轴向的距离分量；
弹体绕质心转动三个轴向的角速度分量；
φ，ψ，γ弹体的俯仰角，偏航角和滚转角；
q：动压；  
Figure 423904DEST_PATH_IMAGE040
参考面积；  
Figure 162184DEST_PATH_IMAGE042
气流入射角；  
Figure 190752DEST_PATH_IMAGE044
：压心到质心的距离； 
Figure 127615DEST_PATH_IMAGE002
:全弹长度；   
Figure 225015DEST_PATH_IMAGE046
：偏航阻尼力矩系数；   俯仰阻尼力矩系数。
以目标俯仰角和出筒速度、角速度初值作为求解微分方程的初始条件，结合灭火弹的气动参数，使用常微分方程的四阶龙格-库塔数值解法，推算得到全弹道参数，即
Figure 288710DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 283342DEST_PATH_IMAGE052
。在计算全弹道参数的过程中，计算在某一俯仰角
Figure 351311DEST_PATH_IMAGE054
下达到d的射高H。
Figure 64183DEST_PATH_IMAGE056
                           （12）
Figure 443343DEST_PATH_IMAGE058
                        （13）
利用公式（12）判断H与目标高度h0的大小关系，如满足（12）式则停止迭代，当前俯仰角即为发射角；如不满足（12）式，则用公式（12）更新发射俯仰角，重新计算射高H，其中k为当前迭代步数，直到射高H与目标高度h0之差小于0.01m为止。
第四步  灭火弹组装架3执行灭火弹抛射
通过控制手柄9将灭火弹组装架3调转至角度解算模块7求解得到的发射角，灭火弹组装架3调转结束后，指挥控制单元4通过通信总线C向发射控制系统发出点火指令，发射控制系统输出点火电流，启动灭火弹发射。
至此完成了高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射。

Claims (1)

1.一种用于高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射方法，其特征在于本方法的具体步骤为：
第一步  搭建灭火弹抛射系统
灭火弹抛射系统，包括：探测装置（1）、指挥控制单元（4）、灭火弹组装架（3）、转塔系统（2）、通讯总线A、通讯总线B、通讯总线C；其中，指挥控制单元（4），包括：指挥控制计算机（5）、时序控制模块（6）、角度解算模块（7）、液晶显示屏（8）、控制手柄（9）；时序控制模块（6）、角度解算模块（7）驻留于指挥控制计算机（5）内，时序控制模块（6）用于控制指挥控制单元（4）的工作流程，该工作流程包括探测装置初始化、发控执行电路自检、通讯总线的配置、与转塔系统（2）通讯；角度解算模块（7）用于解算灭火弹抛射角度；
探测装置（1）置于灭火弹组装架（3）的下方，灭火弹组装架（3）安装在转塔系统（2）上；探测装置（1）通讯接口端与指挥控制单元（4）通讯接口端通过通讯总线A连接；指挥控制单元（4）通讯端与转塔系统（2）通讯接口端通过通讯总线B连接；指挥控制计算机（5）与控制手柄（9）通过通讯总线C连接；
第二步  探测装置（1）对准目标火源
探测装置（1）在控制手柄（9）的控制下，对准目标火源，该对准过程在液晶显示屏（8）上显示，由指挥控制单元（4）通过通信总线A向探测装置（1）发出测距指令，探测装置（1）通过通信总线A向指挥控制计算机（5）回传目标火源到灭火弹的斜线距离                                               
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE002
，同时，转塔系统（2）向指挥控制计算机（5）回传目标的俯仰角；
第三步  角度解算模块（7）计算目标火源的位置信息
角度解算模块（7）根据目标的斜线距离、俯仰角求解得到目标火源相对于灭火弹的高度信息和目标距离发射点的水平距离；求解公式如下：
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE004
                             （a）
   
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE006
                              （b）
式中：
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE008
为灭火弹组装架的俯仰角，
Figure 166845DEST_PATH_IMAGE002
为斜线距离，
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE010
为目标火源相对于灭火弹的高度信息，为目标与发射点的水平距离；
第四步  角度解算模块（7）完成灭火弹抛射角的求解
角度解算模块（7）求解得到灭火弹抛射角度
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE014
；角度解算模块（7）依据的动力学和运动学方程如下： 
动力学方程
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE016
                              （1）
                  （2）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE020
                  （3）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE022
                                     （4）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE024
                                      （5）
运动学方程
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE026
   （6）
   （7）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE030
                                     （8）
                                            （9）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE034
                                                  （10）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE036
                                                           （11）
式中：u，v，w弹体坐标系下三个轴向的速度分量； 
X，Y，Z发射坐标系下三个轴向的距离分量；
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE038
弹体绕质心转动三个轴向的角速度分量；
φ，ψ，γ弹体的俯仰角，偏航角和滚转角；
q：动压；  
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE040
参考面积；  
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE042
气流入射角；  ：压心到质心的距离； 
Figure 128153DEST_PATH_IMAGE002
:全弹长度；   
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE046
：偏航阻尼力矩系数；   
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE048
俯仰阻尼力矩系数；
以目标俯仰角和出筒速度、角速度初值作为求解微分方程的初始条件，结合灭火弹的气动参数，使用常微分方程的四阶龙格-库塔数值解法，推算得到全弹道参数，即
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE052
；在计算全弹道参数的过程中，计算在某一俯仰角
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE054
下达到d的射高H；
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE056
                           （12）
Figure 2012103945259100001DEST_PATH_IMAGE058
                        （13）
利用公式（12）判断H与目标高度h0的大小关系，如满足（12）式则停止迭代，当前俯仰角即为发射角；如不满足（12）式，则用公式（12）更新发射俯仰角，重新计算射高H，其中k为当前迭代步数，直到射高H与目标高度h0之差小于0.01m为止；
第四步  灭火弹组装架（3）执行灭火弹抛射
通过控制手柄（9）将灭火弹组装架（3）调转至角度解算模块（7）求解得到的发射角，灭火弹组装架（3）调转结束后，指挥控制单元（4）通过通信总线C向发射控制系统发出点火指令，发射控制系统输出点火电流，启动灭火弹发射；
至此完成了高层楼宇灭火系统的灭火弹抛射。
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