CN109045541B - 克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电气工程技术领域，公开了一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法、系统及存储介质，以确保灭火安全高效。本发明方法包括：建立输电线路山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程；测量模拟输电线路山火火场在不同高度处的烟羽流速度，并根据测量数据和山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程获得输电线路山火热流场模型；根据输电线路山火热流场模型计算待灭火的目标输电线路在相对应植被类型和火场面积作用下的第一模拟结果；仿真计算无人机旋翼下方从旋翼底面至无人机底座之间的旋翼压强分布、垂直风速，得到第二模拟结果；结合第一模拟结果和第二模拟结果进行分析，确定灭火装置的最佳部署位置以保证灭火安全高效。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法、系统及存储介质。
背景技术
在农村，液化气、煤气已经逐渐取代木材成为主要燃料，荒山荒地逐渐被茂密的植被所覆盖，输电线路走廊附近的植被越来越茂密。春节、清明祭祖等行为和极端干旱天气易引发大面积山火，不仅仅威胁到火灾影响区域内的生态环境、人员生命财产安全。同时，输电走廊附近山火会导致输电线路跳闸，严重威胁我国电网的安全稳定运行。仅2003年，湖南省220kV线路因山火跳闸达到23次，当年全省220kV线路跳闸总数才63次。2009年-2010年期间，贵州电网220kV和500kV输电线路总共发生山火跳闸事故71起，其中500kV线路跳闸26起。由此可见，输电线路山火成为威胁电网安全的一个重要灾害。
对输电线路山火开展灭火，是避免山火蔓延引起线路跳闸的有效治理手段。但输电线路山火现场交通环境恶劣，尤其是特高压输电线路所处的崇山峻岭高度远大于100米，无行走道路，荆棘茂盛，人员到达火场时间长，影响山火处置的及时性。载人直升机灭火技术在森林火灾扑救得到应用，反应迅速。但直升机价格高达数千万元，并且飞行审批严格，飞行成本高；此外，电网山火点多面积小，直升机吊桶投洒灭火方式的水剂利用率低，且喷洒液体宽度大，易造成输电线路相间跳闸，诸多不利因素限制其在输电线路防山火中的应用。而无人机和高效灭火技术近年发展较快，飞行灵活，适用于电网点多面广的山火灭火，有以下优势：1)可克服地形不利因素，可快速到达火场进行灭火，解决灭火装备因地形阻碍无法到达火场的难题；2)无人机灭火不需人员近距离与火接触，从而避免了人工灭火安全风险，保障了人员安全；因此，需要开展输电线路山火无人机小流量灭火技术研究及应用，弥补现有输电线路山火灭火装备的缺陷，提高灭火的安全性和快速性。
但是高压水枪整体处于旋翼诱导气流的下方，影响水枪出口的水流，需计算气流的分布和混乱程度，选择合适的安装位置。灭火水剂喷出后，受到周围空气动力等对水体射流产生的扰动，而使水体分裂成液滴、甚至雾化，增大了灭火水剂的表面积，增加了灭火水剂的蒸发量，同时更易受风场影响喷射准确率下降。需要使灭火水剂喷出时减小紊乱状态。在燃烧热流中，气流的密度、流动速度和温度的变化，在无人机灭火装置飞行控制中，外界气流(烟羽流、环境风速)的作用以及直升机部件间的气动作用下的无人机灭火装置飞行控制极为复杂。
目前尚未有克服输电线路山火火场烟羽流的无人机灭火装置灭火方法，因此，亟需开发一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置灭火方法，既能保证无人机灭火装置喷洒的灭火水剂受现场环境风、烟羽流的影响降至最小，又能确保无人机灭火装置的安全。
发明内容
本发明目的在于公开一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法、系统及存储介质，以确保灭火安全高效。
为实现上述目的，本发明公开了一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法，包括：
建立输电线路山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程；
测量模拟输电线路山火火场在不同高度处的烟羽流速度，并根据所述测量数据和所述山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程获得输电线路山火热流场模型；
根据所述输电线路山火热流场模型计算待灭火的目标输电线路在相对应植被类型和火场面积作用下，火场区域范围内空间的垂直风速、压强分布特征，得到第一模拟结果；
模拟仿真计算无人机旋翼下方从旋翼底面至无人机底座之间的旋翼压强分布、垂直风速，得到第二模拟结果；
结合所述第一模拟结果和第二模拟结果进行分析，确定灭火装置的最佳部署位置以实现借用无人机旋翼产生的向下垂直速度场克服输电线路山火产生的烟羽流对喷洒的灭火水剂的影响，确保灭火安全性和高效性。
可选地，所确定的灭火装置初始的最佳部署位置包括以下的任意一种或任意组合：
一、以无人机灭火装置旋翼产生的垂直向下的风速抵消火场烟羽流向上的风速为原则，确定灭火装置初始的最佳安装横向位置；
二、辨识所述第一模拟结果中的火场热羽流和所述第二模拟结果中的旋翼洗流的薄弱区域，选择无人机旋翼下方等压线稀疏的高度区域，作为灭火装置初始的最佳安装高度；或
三、计算灭火装置安装位置距离水泵出口的横向距离，并以所述横向距离作为灭火装置的水枪长度，以将高压喷头延伸出直升机旋翼下洗流比较强烈的区域，保证射流的稳定性。
可选地，本发明确定灭火装置的最佳部署位置还包括：
根据输电线路在典型植被类型和典型火场面积作用下的第一模拟结果和所述第二模拟结果确定并固化灭火装置相对于无人机初始的最佳部署位置；以及
当所述目标输电线路所对应的火场面积或植被类型发生变化后，重新根据所述目标输电线路的第一模拟结果和所述第二模拟结果确定灭火装置的最佳部署位置，并通过调整无人机飞行位置的方式使得灭火装置实际到达最佳部署位置。
为达上述目的，本发明还公开一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
为达上述目的，本发明还公开计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
考虑了输电线路山火引发的烟羽流对山火上空气流速度的分布的影响、以及无人机旋翼产生的洗流场对旋翼下方灭火装置安装位置的影响；通过第一模拟结果和第二模拟结果的结合分析，实现借用无人机旋翼产生的向下垂直速度场克服输电线路山火产生的烟羽流对喷洒的灭火水剂的影响，确保灭火安全性和高效性。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例输电线路山火热流场模型的分区示意图；
图2为无人机悬停状态旋翼下方900mm压强分布；
图3为无人机悬停状态旋翼下方900mm垂直风速分布图；
图4静止大气火焰边界上方25m处垂直方向速度分布。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法。
本实施例方法主要包括下述步骤：
步骤S1、建立输电线路山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程。
该步骤中，可选的，气体连续方程为：
动量方程为：
能量方程为：
步骤S2、测量模拟输电线路山火火场在不同高度处的烟羽流速度，并根据所述测量数据和所述山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程获得输电线路山火热流场模型。
该步骤中，优选地，所建立的山火热流场模型符合下述约束条件：
z*＝z/zc
Uc＝((Q0g2)/(ρacpT0))1/5
上述公式中，各参数所表征的含义具体为：cp为气体比热容，g为重力加速度，k为热传导速率，
为净热释放速率。
如图1所示，输电线路山火热流场模型的分区通常包括火焰区、间歇区和烟雾区。各区对应的高度取值范围如下述表1所示：
表1：
| 烟羽流范围 | 高度取值范围 |
| 火焰区 | 0<z<1.32 |
| 间歇区 | 1.32<z<3.30 |
| 烟雾区 | 3.30<z |
步骤S3、根据所述输电线路山火热流场模型计算待灭火的目标输电线路在相对应植被类型和火场面积作用下，火场区域范围内空间的垂直风速、压强分布特征，得到第一模拟结果。
在实际的火场中，火场上空的垂直风速主要是由火场产生。因此，为便于简化计算，在模拟仿真过程中，可不考虑外界自然风对火场的影响。
步骤S4、模拟仿真计算无人机旋翼下方从旋翼底面至无人机底座之间的旋翼压强分布、垂直风速，得到第二模拟结果。
在该步骤中，结合无人机通常的物理参数，可以0.2米为步长计算压强和风速分布情况，一种压强和风速对应的模拟结果分别如图2和图3所示。
步骤S5、结合所述第一模拟结果和第二模拟结果进行分析，确定灭火装置的最佳部署位置以实现借用无人机旋翼产生的向下垂直速度场克服输电线路山火产生的烟羽流对喷洒的灭火水剂的影响，确保灭火安全性和高效性。
其中，在该步骤中，可选地，所确定的灭火装置初始的最佳部署位置包括以下的任意一种或任意组合：
一、以无人机灭火装置旋翼产生的垂直向下的风速抵消火场烟羽流向上的风速为原则，确定灭火装置初始的最佳安装横向位置；
二、辨识所述第一模拟结果中的火场热羽流和所述第二模拟结果中的旋翼洗流的薄弱区域，选择无人机旋翼下方等压线稀疏的高度区域，作为灭火装置初始的最佳安装高度；或
三、计算灭火装置安装位置距离水泵出口的横向距离，并以所述横向距离作为灭火装置的水枪长度，以将高压喷头延伸出直升机旋翼下洗流比较强烈的区域，保证射流的稳定性。
通常情况下，灭火时，无人机处于悬停状态，优选地，本实施例确定灭火装置的最佳部署位置还包括：
根据输电线路在典型植被类型和典型火场面积作用下的第一模拟结果和所述第二模拟结果确定并固化灭火装置相对于无人机初始的最佳部署位置；以及
当所述目标输电线路所对应的火场面积或植被类型发生变化后，重新根据所述目标输电线路的第一模拟结果和所述第二模拟结果确定灭火装置的最佳部署位置，并通过调整无人机飞行位置(典型的如：飞行高度)的方式使得灭火装置实际到达最佳部署位置。
通常，输电线路所对应的植被类型包括：灌木、松树、茅草、杉树等植被类型，无人机灭火装置能力范围内的火场面积按梯度分布分别为40㎡、60㎡、80㎡、100㎡等。藉此，上述确定灭火装置相对于无人机初始的最佳部署位置的典型植被类型可为茅草，典型的火场面积为40㎡，其对应的第一模拟结果如图4所示。
在本实施例的一具体应用例中，根据图4所示的第一模拟结果和第二模拟结果(包括图2和图3)所确定的分析结论为：
1、选择无人机灭火装置旋翼下方等压线稀疏的1.3m处高度区域，作为无人机灭火系统的最佳安装高度。
2、选择无人机灭火装置垂直风速矢量和最小的区域，在该区域利用无人机灭火装置旋翼向下的风速抵消火场热羽流产生的向上的风速，确定无人机灭火系统的最佳安装横向位置为1.2m。
3、计算灭火系统安装位置距离无人机灭火装置水泵出口的横向距离，选择无人机灭火系统的水枪长度为1.2m，以将高压喷头延伸出直升机旋翼下洗流比较强烈的区域，保证射流的稳定性。
实施例2
本实施例公开一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法实施例的步骤。
实施例3
本实施例公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述方法实施例的步骤。
综上，本发明上述各实施例所分别公开的克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法、系统及存储介质，具有以下有益效果：
考虑了输电线路山火引发的烟羽流对山火上空气流速度的分布的影响、以及无人机旋翼产生的洗流场对旋翼下方灭火装置安装位置的影响；通过第一模拟结果和第二模拟结果的结合分析，实现借用无人机旋翼产生的向下垂直速度场克服输电线路山火产生的烟羽流对喷洒的灭火水剂的影响，确保灭火安全性和高效性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法，其特征在于，包括：
建立输电线路山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程；
测量模拟输电线路山火火场在不同高度处的烟羽流速度，并根据所述测量数据和所述山火现场气体的连续方程、动量方程和能量方程获得输电线路山火热流场模型；
根据所述输电线路山火热流场模型计算待灭火的目标输电线路在相对应植被类型和火场面积作用下，火场区域范围内空间的垂直风速、压强分布特征，得到第一模拟结果；
模拟仿真计算无人机旋翼下方从旋翼底面至无人机底座之间的旋翼压强分布、垂直风速，得到第二模拟结果；
结合所述第一模拟结果和第二模拟结果进行分析，确定灭火装置的最佳部署位置以实现借用无人机旋翼产生的向下垂直速度场克服输电线路山火产生的烟羽流对喷洒的灭火水剂的影响，确保灭火安全性和高效性；
其中，确定灭火装置的最佳部署位置包括：
根据输电线路在典型植被类型和典型火场面积作用下的第一模拟结果和所述第二模拟结果确定并固化灭火装置相对于无人机初始的最佳部署位置；以及
当所述目标输电线路所对应的火场面积或植被类型发生变化后，重新根据所述目标输电线路的第一模拟结果和所述第二模拟结果确定灭火装置的最佳部署位置，并通过调整无人机飞行位置的方式使得灭火装置实际到达最佳部署位置。
2.根据权利要求1所述的克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法，其特征在于，所确定的灭火装置初始的最佳部署位置包括以下的任意一种或任意组合：
一、以无人机灭火装置旋翼产生的垂直向下的风速抵消火场烟羽流向上的风速为原则，确定灭火装置初始的最佳安装横向位置；
二、辨识所述第一模拟结果中的火场热羽流和所述第二模拟结果中的旋翼洗流的薄弱区域，选择无人机旋翼下方等压线稀疏的高度区域，作为灭火装置初始的最佳安装高度；或
三、计算灭火装置安装位置距离水泵出口的横向距离，并以所述横向距离作为灭火装置的水枪长度，以将高压喷头延伸出直升机旋翼下洗流比较强烈的区域，保证射流的稳定性。
3.根据权利要求1所述的克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制方法，其特征在于，所述飞行位置包括飞行高度。
4.一种克服火场烟羽流的无人机灭火装置控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至3任一所述方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述权利要求1至3任一所述方法的步骤。
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