JP3812785B2 - Fire extinguisher - Google Patents

Description

を表わす数学モデルを作成する。
【００１２】
抗力係数推定部は、数学モデルから求めた外気流が作用しない時の放水軌道の最高点の高さZmax及び到達距離η₁と各実測値との偏差を所定閾値以下とする数学モデルのチューニングにより高さ方向の抗力係数k₁と放水方向の抗力係数k₂を推定する。
【００１３】
次に強制外気流が作用した時、図５に示すように、横風速度成分推定部は、数学モデルから求めた外気流が作用したときの放水軌道の軌道ずれと到達不足距離及び各実測値に基づいて、放水軌道に対し水平面で直角に作用する外気流の横風速度成分V２を推定する。
【００１４】
下降風速速度成分推定部は、数学モデルから求めた外気流が作用したときの放水軌道の最高点の高さZmaxとその実測値に基づいて、前記放水軌道に対し垂直面で鉛直下向きに作用する外気流の下降風速度成分V３を推定する。
【００１５】
更に、向い風速度成分推定部は、数学モデルから求めた外気流が作用したときの放水軌道の放水到達距離と実測値の差に基づいて、放水軌道に対向する向い風速度成分V１を推定する。
【００１６】
パニング角補正部は、外気流の横風速度成分V２と向い風速度成分V１とに基づいて外気流による放水軌道のパニング補正角dφを演算して放水銃のパニング角を補正する。
【００１７】
チルト角補正部は、パニング角の補正状態で実測された不足距離を補うチルト補正角dθを、数学モデルによる向い風速度成分V１とチルト角θの関係から演算して放水銃のチルト角を補正する。
【００１８】
このような対象空間に放水した時の放水軌道の数学モデルに実測値を適用して軌道ずれを推定することで、外気流の風向・風力の検出値に応じて軌道ずれを補正する放水銃の指向制御が行われ、強い外気流を受けても正確に火源に消火用水を到達落下させて確実に消火する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
＜目次＞
１．装置構成
２．放水制御の原理
（１）数学モデルと抗力係数
（２）外気流による軌道ずれ
（３）外気流によるずれの補正
３．放水制御処理
１．装置構成
図１は本発明による放水銃を用いた消火装置の全体的な装置構成の説明図である。図１において、消火装置全体の制御を行うコントローラ１が設けられ、コントローラ１には放水制御部１ａが設けられる。放水制御部１ａは、火源位置に放水銃で放水した際の放水流について外気流の影響を考慮した数学モデルを作成し、この数学モデルに基づいて実際の放水流に対する外気流の影響を実時間で推定して前記放水銃の方向を制御する。
【００２０】
コントローラ１に対しては消火対象区域を監視する火源検出赤外線カメラ２ａ，２ｂ、放水落下位置監視カメラ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが接続されている。また消火対象区域には例えば２台の放水銃５ａ，５ｂが設置されており、放水銃５ａにはパン及びチルトに指向方向を制御可能なノズル６ａ，６ｂが設けられている。
【００２１】
この放水銃５ａ，５ｂに対してはパン・チルト制御部７ａ，７ｂが設けられ、コントローラ１からの制御目標値の設定による指向制御を受けて、ノズル６ａ，ｂを指定された指向方向にサーボ制御する。
【００２２】
放水銃５ａ，５ｂのそれぞれに対しては、モータ１０により駆動されるポンプ１１からの給水配管が放水圧制御部８ａ，８ｂを介して接続されている。ポンプ１１のモータ１０はポンプ制御盤９に接続され、ポンプ制御盤９はコントローラ１からのポンプ制御指令を受けてポンプ運転・停止を行う。ポンプ１は貯水槽１２からの消火用水を汲み上げ、放水圧制御部８ａ，８ｂを介して放水銃５ａ，５ｂに供給している。
【００２３】
放水圧制御部８ａ，８ｂはコントローラ１による火源までの放水距離に基づいて得られた放水圧力の指定を受けて、指定された放水圧力となるように放水銃５ａ，５ｂに供給するポンプ１１からの加圧消火用水の圧力、即ち放水圧力を制御する。
【００２４】
図２は、図１の消火装置のコントローラ１に接続しているカメラ及びセンサ、更に放水銃の消火対象区域における設置状態の一例である。図２は消火対象区域として屋外球技場を例にとっており、中央のグランド部分が消火対象区域１４に定められ、その周囲を囲んだ観客席の背後の所定高さの位置に２台の放水銃５ａ，５ｂを消火対象区域１４を挟んで配置している。
【００２５】
またスタンド側の放水銃５ａ，５ｂの設置側に直交する２箇所には火源検出赤外線カメラ２ａ，２ｂが設置されている。更に観客席側の４箇所に分けて放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄが設置される。
【００２６】
このような消火対象区域１４において、例えば火源１５のように火災が発生したとすると、火源１５が火源検出赤外線カメラ２ａ，２ｂで検出され、消火対象区域１４の座標系における火源１５の位置が求められ、この火源位置に対し近い方の放水銃例えば放水銃５ａが選択され、放水銃５ａから火源１５までの放水距離により放水圧力を設定し、更に放水銃５ａのパニング制御（水平旋回制御）及びチルト制御（垂直旋回制御）により指向方向を決め、オペレータによる火源１５の確認の下に放水軌道操作を行って、放水軌道１７のように消火用水を散水して火源１５に上方から落下させる。
【００２７】
このとき例えば外気流１６が矢印のようにあったとすると、放水軌道１７は外気流１６の影響を受けて放水位置及び放水距離にずれを起こすが、本発明にあってはコントローラ１の放水制御部１ａにおいて、消火対象空間に放水した場合の放水軌道の特性を数学モデルとして作成し、この数学モデルに外気流１６の影響を受けた実測値を適用してチューニングすることで、外気流１６による放水軌道１７のずれ量と到達不足距離を求め、このずれ量と到達不足距離を補正するように放水銃５ａのタイミング制御とチルト制御の補正制御を行うことで、外気流１６の影響を受けることなく最適な放水軌道により、火源１５に散水領域１８のように消火用水を放水落下させることができる。
２．放水制御の原理
（１）数学モデルと抗力係数
図３は、図１のコントローラ１に設けた放水制御部１ａの機能ブロック図である。図３において、放水制御部１ａは、演算制御部２０、数学モデル作成部２１、抗力係数推定部２２、外気流速度成分推定部２３、パニング角補正部２４、不足距離測定部２５及びチルト角補正部２６で構成される。
【００２８】
まず図４（Ａ）のような対象空間に放水した場合の放水軌跡を考える。図４（Ａ）において、高さ方向となるＺ軸上には放水銃を設置した放水点３０が設けられ、放水点３０よりチルト角θにより初速度Ｖ₀で流量ｍの消火用水を無風状態で放水すると放水軌道３１が得られる。このときの放水銃のパニング角はφであることから、η軸上に放水軌道３１の落下点３２が生ずる。
【００２９】
この放水軌道３１をＺ−η面について見ると図４（Ｂ）のようになり、放水点２６から落下点２８までの水平方向の到達距離はη₁となっている。この図４のような放水軌道２７について、外気流を想定しない無風状態で次の運動方程式が成立すると仮定する。
【００３０】
【数２】

この（１）（２）式について、時間ｔの経過に対する放水軌道３１の高さＺと到達距離ηを求めると次式のようになる。
【００３１】
【数３】

そこで、放水軌道３１において、放水点３０で放水してから落下点３２に落下するまでの時間Ｔ₁を求めると、即ちＺ＝０となる時間Ｔ₁を（３）式から求めると次のようになる。
【００３２】
【数４】

ここで
【００３３】
【数５】

であって、１と比較してexp[（−ｋ₁／ｍ）Ｔ₁｝は十分小さな値なので無視できる。よって、放水軌道３１によって放水点３０から落下点３２に到達するまでの時間Ｔ₁は次式で近似できる。
【００３４】
【数６】

このときの飛翔距離即ち水平方向の到達距離η₁は次のようになる。
【００３５】
【数７】

また放水軌道３１の最高高さＺmaxは前記（３）式を時間で微分してｄｚ／ｄｔ＝０を満たす到達時間τ₁は次式を満足する。
【００３６】
【数８】

したがって、最高高さZmaxまでの到達時間τは
【００３７】
【数９】

となる。このため、最高高さZmaxは（８）式を（３）式に代入して求められる。
即ち、
【００３８】
【数１０】

ここで（９）式から放水軌道３１の最高高さZmaxが実測できれば、これを（９）式に代入することで放水軌道２７における高さZ方向の抗力係数k₁を算出できる。
【００３９】
また高さＺ方向の抗力係数ｋ₁が算出できたならば、（６）式から放水軌道３１の放水点３０から落下点３２までの飛翔時間Ｔ₁を求めることができ、更に落下点３２までの水平方向の飛翔距離即ち到達距離η₁を実測すれば、（７）式に飛翔距離η₁、（６）式から求めた飛翔時間Ｔ₁、及び（９）式から求めた高さＺ方向の抗力係数ｋ₁を代入することで、放水方向ηの抗力係数ｋ₂を算出することができる。
【００４０】
（２）外気流による軌道ずれ
図４のような無風状態での放水軌道３１に対し外気流が作用すると、例えば図５（Ａ）のような軌道ずれを起こす。図５（Ａ）において、無風放水軌道３１に対し外気流が作用した結果、例えば偏向放水軌道３１ａのように軌道ずれを起こす。この軌道ずれは落下点３２が落下点３２ａとずれ量Δηだけ短くなり、またｘｙ平面上にずれ角ζだけ右回りにずれている。
【００４１】
この図５（Ａ）の無風放水軌道３１に対する外気流によりずれた偏向放水軌道３１ａについて、ｄｔ秒間にｄζの角度ずれが生じるとする。この時の運動量の変化は力積に等しい。 ここで図５（Ｂ）のように、ある時刻ｔにおいて円柱で示す単位時間当たりの放水流３３ａに加わる外気流による速度分力を速度成分Ｖ１，Ｖ２、Ｖ３とする。速度成分Ｖ１は、放水流３３ａの放水方向に対向して加わる向い風速度成分である。また速度成分Ｖ２は、放水流３３ａに対し水平面で横方向から加わる横風速度成分である。更に速度成分Ｖ３は放水流３３ａの垂直面において鉛直方向、即ち下向きに加わる下降風速度成分である。
【００４２】
このある時刻ｔの放水流３３ａについて、時刻ｔと次の時刻（ｔ＋ｄｔ）の位置を考えると、無風の場合は放水流３３ｂの位置となり、これに対し外気流を受けた場合は放水流３３ｃのように角度ずれを起こす。この放水流３３ａから放水流３３ｃに移動したときの外気流による角度ずれをｄζとすれば、この角度ずれは主に横風速度成分Ｖ２によって生ずるものと見なすことができる。
【００４３】
このため水平方向での運動量の増加分は図５（Ｃ）のようになり、外気流の速度分力Ｖ２に比例して放水軌道に力が加わる「比例定数ξ₂」と仮定すると、次式で与えられる。
【００４４】
【数１１】

ここで Δν＝｜ν_(t)｜ｄζ が表わされるから
【００４５】
【数１２】

この（１１）式より、時間変化ｄｔ当たりの角度ずれｄζは
【００４６】
【数１３】

となる。したがって、落下点２８までの到達時間Ｔ₁におけるずれ量ζは次式で与えられる。
【００４７】
【数１４】

この（１２）式の算出は解析的には極めて難しいことから、簡単な数値積分で達成すると次にようになる。
【００４８】
【数１５】

ここで前記（３）（４）式から、ｄｚ／ｄｔ，ｄη／ｄｔは次式で与えられる。
【００４９】
【数１６】

また前記（１３）（１４）（１５）式からν_(t)は次式で与えられる。
【００５０】
【数１７】

したがって、（１２）式よりずれ角ζは次式で求まる。
【００５１】
【数１８】

この（１７）式について、ずれ角ζを実測して代入することにより、外気流により放水軌道に加わる水平方向での横風速度成分Ｖ２を推定することができる。
【００５２】
次に外気流が飛翔距離に及ぼす影響を考える。図５（Ｂ）における下降風速度成分Ｖ３と向い風速度成分Ｖ１が飛翔距離に及ぼす影響が大きいと考える。即ち、放水軌道に対する高さＺ方向、及び水平η方向に作用する抗力として下降風速度成分Ｖ３と向い風速度成分Ｖ１を反映させると、これによる新たな運動方程式は次のようになる。
【００５３】
【数１９】

この（１８）（１９）の運動方程式について、図４の無風の放水軌道の場合と同様、それぞれ時間について解いて、高さＺ及び水平距離ηの時間変化は次のようになる。
【００５４】
【数２０】

次に偏向放水軌道２７ａが地面に落下するまでの到達時間Ｔ₂を求めるため、Ｚ＝０とすると、
【００５５】
【数２１】

ここで（ｋ₁／ｍ）Ｔ₂＞２と見なすと、
【００５６】
【数２２】

となることから、地面到達時間Ｔ₂は次式で与えられる。
【００５７】
【数２３】

したがって、到達距離η_nは次のようになる。
【００５８】
【数２４】

また（２０）式より、ｄｚ／ｄｔは
【００５９】
【数２５】

となり、ｄｚ／ｄｔ＝０となる時刻ｔ２までの到達時間をτ₂とすると、次式で与えられる。
【００６０】
【数２６】

また、この時の最高高さＺ₂maxは次のようになる。
【００６１】
【数２７】

したがって、落下点までの到達距離の変化Δηは、（７）式の無風状態での到達距離η₁から（２３）式で求めた外気流の影響を受けたときの到達距離η_nを差し引くことで、次のようになる。
【００６２】
【数２８】

この（２６）式において、exp｛（−k₁／m）T₁｝、及びexp｛（−k₂／m）T₂｝を１と比較して十分小さいことから無視すると、次のように近似できる。
【００６３】
【数２９】

この（２７）式を見ると、外気流によるずれ量Δηは放水軌道に真向いから対向する向い風速度成分Ｖ１に比例している。また（２２）式を見るに、放水軌道に下向きに作用する下降風速度成分Ｖ３は、放水されてから地上に落下するまでの到達時間Ｔ₂に影響を与えていることがわかる。
（３）外気流によるずれの補正
本発明における放水軌道の修正にあっては、まず（１７）式に基づいてずれ角ζを実測する。いま外気流によりパニング角φが（φ＋ｄφ）に変化したときの水平面における向い風速度成分Ｖ１と横風速度成分Ｖ２は、相互に力を打ち消し合うように作用するから次式Ｖ₁´，Ｖ₂´のようになる。
【００６４】
【数３０】

上記の近似は、sinδ＝ｆ（δ）とするとマクローリン展開して
【００６５】
【数３１】

δ→微小にすると、３項目目以降は０に近づくから、
ｆ（δ）＝０＋δ
δ＝ｄφと置き換えるとsinｄφ≒ｄφ
同様にcosｄφ≒１となることに基づいている。
【００６６】
ここで前記（１７）式に（２８）式の横風速度成分Ｖ₂´を代入すると、
【００６７】
【数３２】

となる。ここでずれ角ζ＝０とすると、
【００６８】
【数３３】

となり、このときのパニング角変化量ｄφは
ｄφ＝Ｖ２／Ｖ１ （３２）
となる。
【００６９】
したがって、（１７）式から推定した水平面での横風速度成分Ｖ２と（２７）式から推定した向い風速度成分Ｖ１を（３２）式に代入することで、外気流により生じたずれ角ζを補正するためのパニング補正角ｄζを算出することができる。
【００７０】
次に外気流によりずれた到達距離の補正を説明する。外気流による到達距離は前記（２３）式で与えられるが、これをチルト角δθの変化に対する距離変化量η_nを求めると次のようになる。
【００７１】
【数３４】

これに基づき距離変化量Δη_nに対するチルト角変化量Δθは、次式で与えられる。
【００７２】
【数３５】

そこで、（３２）式で得られたパニング補正角ｄφだけ増加するように放水銃のパニング補正した状態で放水軌道の落下点までの到達距離＊ηを実測し、この実測値＊ηから（７）式で求めた無風状態での到達距離η₁を引いて、ずれ量（不足距離）Δηを求める。このようにして実測で得られた落下点のずれ量Δηを前記（３５）式のΔη_nに代入することで、ずれ量Δη_nだけ伸ばすのに必要なチルト補正角Δθを求めることができ、このチルト補正角Δθだけ放水銃をチルト制御することで落下点をずれ量分延ばすことができる。
３．放水制御処理
図６のフローチャートは、外気流の影響を受けないように火源に消火用水を放水する図１のコントローラ１による放水制御の全体的なフローチャートである。まずステップＳ１〜Ｓ３で、無風状態の放水軌道の数学モデルに基づいて、高さ方向Ｚの抗力係数ｋ₁の推定、地面到達時間Ｔ₁の演算、及び放水方向ηの抗力係数ｋ₂の推定を行う。
【００７３】
次にステップＳ４〜Ｓ７で、外気流の影響を受けてずれた放水軌道の数学モデルに基づいて、放水軌道における水平面での横風速度成分Ｖ２の推定、放水軌道の垂直面での下降風速度成分Ｖ３の推定、外気流を考慮した地面到達時間Ｔ₂の演算、及び放水軌道の水平面における対向する向い風速度成分Ｖ１の推定を行う。
【００７４】
このようにして抗力係数ｋ₁，ｋ₂、及び外気流速度成分Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の推定ができたならば、ステップＳ３で修正パニング角ｄφの演算と補正を行う。そしてステップＳ９で到達距離の実測から不足距離Δηを求め、ステップＳ１０で修正チルト角Δθの演算と補正を行う。このようなステップＳ１〜Ｓ１０の処理を、ステップＳ１１で放水停止指示があるまで、実時間処理で繰り返す。
【００７５】
図７は図６のステップＳ１の高さ方向Ｚの抗力係数ｋ₁の推定処理の詳細である。抗力係数ｋ₁の推定処理にあっては、まずステップＳ１でノズルのチルト角θ、放水流量ｍ、放水銃設置高さｈ₀、初速度Ｖ₀を読み込む。次にステップＳ２で、前記（９）式を用いて放水軌道の最高到達時間の高さＺmaxを演算する。次にステップＳ３で、コントローラ１に接続している放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄの撮影画像から得られた放水軌道の最高到達点高さ＊Ｚmaxを実測する。
【００７６】
ステップＳ４で、ステップＳ３の理論値と実測値との偏差（Ｚmax−＊Ｚmax）＝ε₁を算出し、ステップＳ５で偏差ε₁の絶対値が予め定めた閾値δ₁以内か否かチェックする。閾値δ１以内であれば、そのとき（９）式に使用している抗力係数ｋ₁は適正な値と判断して処理を終了する。ステップＳ５で偏差ε₁の絶対値が閾値δ₁以上であった場合には、ステップＳ６に進み、零以下か零より大きいかをチェックする。
【００７７】
偏差ε₁が零より大きければ現在の抗力係数ｋ₁の値が大きすぎることから、ステップＳ７で所定値Δｋ₁だけ減らし、再びステップＳ２に戻って（９）式から放水軌道の最高到達点の高さＺmaxを演算し、同様の処理を繰り返す。逆にステップＳ６で偏差ε₁が０以下のマイナスであった場合には現在の抗力係数ｋ₁が小さすぎることから、ステップＳ８で所定値Δｋ₁を加算し、ステップＳ２に戻って再度計算をやり直す。このようなステップＳ５〜Ｓ８の抗力係数ｋ₁の修正ルーチンを繰り返すことで、最適値にチューニングされた抗力係数ｋ₁が推定できる。
【００７８】
図７の抗力係数ｋ₁の推定処理に続いて、図６のステップＳ２で行われる地面到達時間Ｔ₁の演算は、図７の推定処理で求めた抗力係数ｋ₁を用いた前記（６）式の演算により地面到達時間Ｔ₁を求める。
【００７９】
図８は図６のステップＳ２の放水方向ηの抗力係数ｋ₂の推定処理の詳細である。この抗力係数ｋ₂の推定処理にあっては、まずステップＳ１でチルト角θ、放水流量ｍ、設置高ｈ₀、及び図６のステップＳ２で求めた地面到達時間Ｔ₁を読み込み、次のステップＳ２で、前記（１）式に基づいて落下点までの飛翔到達距離η₁を演算する。
【００８０】
次にステップＳ３で、図１のコントローラ１に対し設けている放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄのいずれかの監視画像から落下点までの飛翔到達距離＊η₁を実測する。続いてステップＳ４で、飛翔到達距離の偏差ε₂をε₂＝（η₁−＊η₁）として算出し、ステップＳ３で偏差ε₂の絶対値が所定の閾値δ₂より小さいか否かチェックする
偏差ε₂の絶対値が閾値δ₂より小さければ、この時（７）式の演算に使用している抗力係数ｋ₂は適正値として確定処理を終了する。偏差ε₂の絶対値が閾値δ２以上であった場合には、ステップＳ６で０より大きいか否かチェックし、０より大きければステップＳ７で所定値Δｋ₂を差し引いて、ステップＳ２からの処理を繰り返す。偏差ε₂が０またはマイナスであれば、ステップＳ８で所定値Δｋ₂を加算し、ステップＳ２からの処理を繰り返す。
【００８１】
図９は図６で次に行われるステップＳ４の外気流の影響を受けた放水軌道の水平面での横風速度成分Ｖ２の推定処理の詳細である。この速度成分Ｖ２の推定処理にあっては、ステップＳ１が抗力係数ｋ₁，ｋ₂、初速度Ｖ₀、チルト角θ、放水流量ｍ、到達時間Ｔ₁、及び所定の時間変化Δｔを読み込み、次にステップＳ２で図１のコントローラに設けた放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄのいずれかの画像から落下点のずれ角ζを実測する。次にステップＳ３で、前記（１６）（１７）式を用いて横風速度成分Ｖ２の推定演算を行う。
【００８２】
図１０は図６のステップＳ５における放水軌道に対する下降風速度成分Ｖ３の推定処理の詳細である。図１０にあっては、まずステップＳ１でチルト角θ、方すり流量ｍ、設置高ｈ₀、抗力係数ｋ₁を読み込む。次にステップＳ２において、前記（２４）式から放水軌道における最高到達点までの到達時間τ₂を算出する。続いてステップＳ３で、前記（２５）式から放水軌道の指向到達点の高さＺ₂maxを算出する。
【００８３】
続いてステップＳ４で、図１のコントローラ１に対し設けている放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄのいずれかの画像から放水軌道の最高点の高さ＊Ｚ₂maxを実測する。続いてステップＳ５で最高到達点の偏差ε₃をε₃＝（Ｚ₂max−＊Ｚ₂max）として算出し、ステップＳ６で、その絶対値を閾値Δ３と比較する。偏差ε₃の絶対値が敷地δ₃より小さければ、そのとき（２４）（２５）式に使用している下降風速度成分Ｖ３は適正値と見なして、図６のメインルーチンに戻る。
【００８４】
ステップＳ６で偏差ε₃の絶対値が閾値δ₃以上であった場合には、ステップＳ７で偏差ε₃が０より大きいか以下かチェックし、大きければステップＳ８で下降風速度成分Ｖ３を所定値ΔＶ３だけ減らして、ステップＳ２からの処理を繰り返す。逆に偏差ε₃が０またはマイナスであった場合には、ステップＳ９で下降風速度成分Ｖ３を所定値ΔＶ３だけ増加させ、ステップＳ２からの処理を繰り返す。
【００８５】
この図１０の下降風速度成分Ｖ３の推定処理がすむと、図６のステップＳ６において外気流を考慮した地面到達時間Ｔ₂の演算が前記（２２）式に基づいて行われ、次のステップＳ７における水平面での放水軌道に対向する向い風速度成分Ｖ１の推定を行う。
【００８６】
図１１は図６のステップＳ７における向い風速度成分Ｖ１の推定処理の詳細である。この向い風速度成分Ｖ１の推定処理にあっては、まずステップＳ１でチルト角θ、放水流量ｍ、設置高ｈ₀、初速度Ｖ₀、下降風速度成分Ｖ３及び地面到達時間Ｔ₂を読み込み、次のステップＳ２で前記（２３）式に基づいて外気流を考慮した落下点までの到達距離η₂を算出する。続いてステップＳ３で、図１のコントローラ１に対し設けている放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄのいずれかの画像から落下点までの地面到達距離＊η₂を実測する。
【００８７】
そしてステップＳ４で到達距離の偏差ε₄をε₄＝（η₂−＊η₂）として算出する。次に、ステップＳ５で、偏差ε₄の絶対値が所定の閾値δ₄より小さいか否かチェックし、小さければ、この時ステップＳ２の（２３）式の演算に使用している向い風速度成分Ｖ１は適正と推定して、図６のメインルーチンに戻る。
【００８８】
これに対しステップＳ５で偏差ε₄の絶対値が閾値δ₄以上であった場合には、ステップＳ６で０より大きいか否かチェックし、０より大きければステップＳ７で向い風速度成分Ｖ１から所定値ΔＶ１を引いた後、ステップＳ２からの処理を繰り返す。またステップＳ６で偏差ε₄が０かマイナスであった場合には、ステップＳ８で所定値ΔＶ４を加算した後のステップＳ２からの処理を繰り返す。
【００８９】
この図１１の速度成分Ｖ１の推定処理が済むと、図６のステップＳ８に戻り、前記（３２）式から修正パニング角ｄφを演算し、この修正パニング角ｄφ分だけ増加させる放水銃のパニング補正制御を行う。次にステップＳ９で、修正パニング角ｄφの補正が済んだ状態で図１のコントローラに対し設けている放水落下位置監視カメラ３ａ〜３ｄのいずれかの画像から、落下点から火源までの不足距離Δηを実測する。
【００９０】
次にステップＳ１０で、前記（３５）式に不足距離Δηを代入して修正チルト角Δθを演算して放水銃のチルト角放水を行う。これによって、この時点での外気流による火点からのずれを補正するように放水銃のタイミング角及びチルト角の補正が行われ、外気流を受けていても消火用水を火点からずれることなく確実に火源位置に落下させることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、放水軌道に対する外気流の影響を考慮した運動方程式で定義される簡単な数学モデルを作成し、実際に放水している状態での放水軌道に対する外気流の影響を実時間で推定しながら放水銃の放水方向を補正することで、外気流を受けていても火源に精度よく消火用水を到達させて確実に消火することができる。
【００９２】
このため、屋外設置の建築構造物についても、放水圧力が比較的低圧で外気流の影響を受け易い放水銃を用いた消火装置を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置構成の説明図
【図２】屋外球技場に対する消火設備の設置状態の説明図
【図３】図１のコントローラに設けた放水制御部の機能ブロック図
【図４】数学モデルとして作成される放水軌道の説明図
【図５】外気流によりずれを起こした放水軌道の説明図
【図６】図３の放水制御部による全体的な制御の処理のフローチャート
【図７】図６の抗力係数ｋ₁の推定処理のフローチャート
【図８】図６の抗力係数ｋ₂の推定処理のフローチャート
【図９】図６の横風速度成分Ｖ２の推定処理のフローチャート
【図１０】図６の下降風速度成分Ｖ３の推定処理のフローチャート
【図１１】図６の向い風速度成分Ｖ１の推定処理のフローチャート
【符号の説明】
１：コントローラ
１ａ：放水制御部
２ａ，２ｂ：火源検出赤外線カメラ
３ａ〜３ｄ：放水落下位置監視カメラ
５ａ，５ｂ：放水銃
６ａ，６ｂ：ノズル
７ａ，７ｂ：パン・チルト制御部
８ａ，８ｂ：放水圧制御部
９：ポンプ制御盤
１０：モータ
１１：ポンプ
１２：貯水槽
１３：モニタ
１４：消火対象区域
１５：火源
１７：放水軌道
１８：散水領域
２０：演算制御部
２１：数学モデル作成部
２２：抗力係数推定部
２３：外気流速度成分推定部
２４：パニング角補正部
２５：不足距離測定部
２６：チルト角補正部
２７：向い風速度成分推定部（Ｖ１推定部）
２８：横風速度成分推定部（Ｖ２推定部）
２９：下降風速度成分推定部（Ｖ３推定部）
３０：放水点
３１：放水軌道
３２：落下点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fire extinguishing apparatus that extinguishes a fire generated in a monitoring area such as an outdoor stadium or an outdoor exhibition hall using a water gun.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a large space structure such as a dome, it is difficult to deal with fire detectors and sprinkler fire extinguishing equipment, etc. As a fire detection system, detection of infrared rays generated from a heating element is scanned over the entire space. Water cannon fire extinguishing equipment has been developed that monitors fires and extinguishes fires using a water cannon.
[0003]
However, in the case of a large space structure such as an open / closed dome, if a fire source is detected with the ceiling open, various wind directions and strong winds are expected around the fire source position, and it is affected by the wind. There is a risk that the water discharge position will be significantly different from the fire source position. In order to solve this problem, in Japanese Patent Publication No. 7-100076, the fall position of fire-extinguishing water discharged from the water gun is detected to detect an error from the fire source position, and this error is minimized. The direction of the water cannon is feedback controlled.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional feedback control that minimizes the error between the water discharge position and the fire source position in this way, when the water discharge distance becomes long before the water for fire extinguishing from the water discharge gun falls to the fire source position, it takes several seconds. It takes a certain amount of time, and the wind direction and wind force are constantly changing. Even if feedback control is performed to minimize the error of the direction of the water gun, the wind direction and wind force change until it falls to the fire source position. And the fall position will be greatly off the fire source.
[0005]
In addition, the upper limit of the water discharge pressure is, for example, 10 kgf / cm by law. ² However, when the water discharge distance is long, the water discharge pressure is low, so that it is strongly affected by the wind and is extremely difficult to use outdoors.
[0006]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a fire extinguishing apparatus using a water gun that can reliably extinguish fire by dropping fire-extinguishing water to a fire source position without being affected by wind. For the purpose.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention is configured as follows. The present invention A fire source position detection unit that detects a fire source position, and a water discharge control unit that controls the direction of the water discharge gun so that fire-fighting water discharged from the water discharge gun can fall at the fire source position, and A fire extinguisher that extinguishes a fire that occurred in a surveillance area using a water gun, The water discharge control unit includes a drop point detection unit that detects the falling point of fire-fighting water discharged from the water discharge gun, and a maximum point detection unit that detects the height of the highest point of the water discharge path of the fire-fighting water discharged from the water discharge gun. With Create a mathematical model that considers the influence of external airflow on the water discharge flow when water is discharged with the water gun at the fire source position, Measured values of the drop point detected by the drop point detector and the height of the highest point of the water discharge track detected by the highest point detector Based on this mathematical model, the external airflow is Cross wind speed component, descending wind speed component, head wind speed component Estimated in real time , Control the direction of the water gun Ruko And features.
[0009]
The water discharge control unit further includes a mathematical model creation unit, a drag coefficient estimation unit, a cross wind speed component estimation unit, a descending wind speed component estimation unit, a head wind speed component estimation unit, a panning angle correction unit, and a tilt correction unit.
[0010]
Mathematical model creation unit is a motion characteristic of the water discharge trajectory when water is discharged into the target space, for example,
[0011]
[Expression 1]

Create a mathematical model that represents
[0012]
The drag coefficient estimator calculates the height Zmax and the reach distance η ₁ Drag coefficient k in the height direction by tuning a mathematical model that makes the deviation between the measured value and each measured value less than a predetermined threshold ₁ And drag coefficient k ₂ Is estimated.
[0013]
Next, when forced external airflow acts, as shown in FIG. 5, the crosswind velocity component estimation unit calculates the misalignment of the water discharge trajectory, the under-reach distance and the measured values when the external airflow obtained from the mathematical model acts. Based on this, the crosswind velocity component V2 of the external airflow acting at a right angle in the horizontal plane with respect to the water discharge trajectory is estimated.
[0014]
The descending wind speed / velocity component estimator acts vertically downward on the water discharge trajectory based on the height Zmax of the water discharge trajectory when the external airflow obtained from the mathematical model is applied and the actual measurement value. A descending wind speed component V3 of the external airflow is estimated.
[0015]
Furthermore, the head wind speed component estimation unit estimates the head wind speed component V1 facing the water discharge track based on the difference between the water discharge reach distance of the water discharge track when the external airflow obtained from the mathematical model is applied and the measured value.
[0016]
The panning angle correction unit calculates the panning correction angle dφ of the water discharge trajectory by the external airflow based on the cross wind velocity component V2 and the head wind velocity component V1 of the external airflow, and corrects the panning angle of the water discharge gun.
[0017]
The tilt angle correction unit corrects the tilt angle of the water gun by calculating a tilt correction angle dθ that compensates for the short distance actually measured in the correction state of the panning angle from the relationship between the head wind velocity component V1 and the tilt angle θ based on the mathematical model. .
[0018]
By applying actual measurement values to the mathematical model of the water discharge trajectory when water is discharged into such a target space, the trajectory deviation is estimated to correct the trajectory deviation according to the detected wind direction and wind force of the external airflow. Directional control is performed, and even if a strong external airflow is received, fire-extinguishing water reaches the fire source accurately and falls, ensuring that the fire is extinguished.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Contents>
1. Device configuration
2. Principle of water discharge control
(1) Mathematical model and drag coefficient
(2) Track deviation due to external airflow
(3) Correction of deviation due to external airflow
3. Water discharge control treatment
1. Device configuration
FIG. 1 is an explanatory diagram of the overall device configuration of a fire extinguishing device using a water gun according to the present invention. In FIG. 1, a controller 1 that controls the entire fire extinguishing apparatus is provided, and the controller 1 is provided with a water discharge control unit 1 a. The water discharge control unit 1a creates a mathematical model that takes into account the influence of the external airflow on the water discharge flow when water is discharged to the fire source position, and based on this mathematical model, the effect of the external airflow on the actual water discharge flow is realized. The direction of the water cannon is controlled by estimation with time.
[0020]
Connected to the controller 1 are fire source detection infrared cameras 2a and 2b for monitoring a fire extinguishing target area, and water discharge fall position monitoring cameras 3a, 3b, 3c and 3d. In addition, for example, two water cannons 5a and 5b are installed in the fire extinguishing target area, and the water cannon 5a is provided with nozzles 6a and 6b whose paning and tilting directions can be controlled.
[0021]
Pan / tilt control units 7a and 7b are provided for the water discharge guns 5a and 5b, and the nozzles 6a and b are servoed in a designated directivity direction by receiving directivity control by setting a control target value from the controller 1. Control.
[0022]
To each of the water discharge guns 5a and 5b, a water supply pipe from a pump 11 driven by a motor 10 is connected via a water discharge pressure control unit 8a and 8b. The motor 10 of the pump 11 is connected to a pump control panel 9, and the pump control panel 9 receives a pump control command from the controller 1 to perform pump operation / stop. The pump 1 pumps water for fire extinguishing from the water storage tank 12 and supplies it to the water discharge guns 5a and 5b via the water discharge pressure control units 8a and 8b.
[0023]
The water discharge pressure control units 8a and 8b receive the designation of the water discharge pressure obtained based on the water discharge distance to the fire source by the controller 1, and supply the water discharge guns 5a and 5b to the water discharge guns 5a and 5b so that the specified water discharge pressure is obtained. The pressure of the fire-fighting water from the pressure, that is, the discharge pressure is controlled.
[0024]
FIG. 2 is an example of an installation state of the camera and sensor connected to the controller 1 of the fire extinguishing apparatus of FIG. 1 and the water discharge gun in the fire extinguishing target area. FIG. 2 shows an example of an outdoor ball game field as a fire extinguishing target area. A central ground portion is defined as a fire extinguishing target area 14, and two water guns 5a are placed at a predetermined height behind a spectator seat surrounding the area. , 5b are arranged with the fire extinguishing target area 14 in between.
[0025]
In addition, fire source detection infrared cameras 2a and 2b are installed at two positions orthogonal to the installation side of the stand-side water guns 5a and 5b. Furthermore, the water discharge drop position monitoring cameras 3a to 3d are installed in four places on the audience seat side.
[0026]
In such a fire extinguishing target area 14, if a fire occurs, for example, as a fire source 15, the fire source 15 is detected by the fire source detection infrared cameras 2 a and 2 b, and the fire source 15 in the coordinate system of the fire extinguishing target area 14 is detected. The water spray gun, for example, the water spray gun 5a closer to the fire source position is selected, the water discharge pressure is set according to the water discharge distance from the water gun 5a to the fire source 15, and the panning control of the water gun 5a is further performed. (Horizontal turning control) and tilt control (vertical turning control) determine the directing direction, perform the water discharge trajectory operation after confirming the fire source 15 by the operator, sprinkle fire-extinguishing water like the water discharge track 17 and fire source 15 is dropped from above.
[0027]
At this time, for example, if the external air flow 16 is as indicated by an arrow, the water discharge track 17 is affected by the external air flow 16, and the water discharge position and the water discharge distance are shifted. However, in the present invention, the water discharge control unit of the controller 1 is used. In 1a, the characteristics of the water discharge trajectory when water is discharged into the fire extinguishing target space are created as a mathematical model, and the mathematical model is tuned by applying an actual measurement value affected by the external air flow 16, thereby discharging the water by the external air flow 16. By obtaining the deviation amount of the track 17 and the under-reach distance, and performing the timing control of the water cannon 5a and the correction control of the tilt control so as to correct the deviation amount and the under-reach distance, without being affected by the external air flow 16. With the optimal water discharge trajectory, the fire-extinguishing water can be discharged to the fire source 15 like the water spray area 18.
2. Principle of water discharge control
(1) Mathematical model and drag coefficient
FIG. 3 is a functional block diagram of the water discharge controller 1a provided in the controller 1 of FIG. In FIG. 3, the water discharge control unit 1a includes an arithmetic control unit 20, a mathematical model creation unit 21, a drag coefficient estimation unit 22, an external airflow velocity component estimation unit 23, a panning angle correction unit 24, an insufficient distance measurement unit 25, and a tilt angle correction. The unit 26 is configured.
[0028]
First, consider the water discharge trajectory when water is discharged into the target space as shown in FIG. In FIG. 4A, a water discharge point 30 provided with a water discharge gun is provided on the Z axis that is in the height direction. ₀ When water for fire extinguishing at a flow rate of m is discharged in a windless state, a water discharge track 31 is obtained. Since the panning angle of the water discharge gun at this time is φ, a drop point 32 of the water discharge track 31 is generated on the η axis.
[0029]
When the water discharge track 31 is viewed with respect to the Z-η plane, it becomes as shown in FIG. 4B, and the horizontal distance from the water discharge point 26 to the drop point 28 is η ₁ It has become. It is assumed that the following equation of motion is established for the water discharge track 27 as shown in FIG.
[0030]
[Expression 2]

Regarding the equations (1) and (2), when the height Z and the reach distance η of the water discharge track 31 with respect to the elapse of time t are obtained, the following equation is obtained.
[0031]
[Equation 3]

Therefore, in the water discharge track 31, the time T from when the water is discharged at the water discharge point 30 to when it falls to the drop point 32. ₁ I.e., the time T when Z = 0. ₁ Is obtained from equation (3) as follows.
[0032]
[Expression 4]

here
[0033]
[Equation 5]

Where exp [(− k ₁ / M) T ₁ } Is a sufficiently small value and can be ignored. Therefore, the time T from the water discharge point 30 to the drop point 32 by the water discharge track 31. ₁ Can be approximated by
[0034]
[Formula 6]

Flight distance at this time, that is, reach distance in the horizontal direction η ₁ Is as follows.
[0035]
[Expression 7]

The maximum height Zmax of the water discharge track 31 is the arrival time τ satisfying dz / dt = 0 by differentiating the equation (3) with respect to time. ₁ Satisfies the following equation.
[0036]
[Equation 8]

Therefore, the arrival time τ to the maximum height Zmax is
[0037]
[Equation 9]

It becomes. Therefore, the maximum height Zmax is obtained by substituting Equation (8) into Equation (3).
That is,
[0038]
[Expression 10]

Here, if the maximum height Zmax of the water discharge track 31 can be measured from the equation (9), the drag coefficient k in the height Z direction of the water discharge track 27 can be substituted by the equation (9). ₁ Can be calculated.
[0039]
Also, drag coefficient k in the height Z direction ₁ Can be calculated, the flight time T from the water discharge point 30 to the drop point 32 of the water discharge track 31 from the equation (6). ₁ Further, the horizontal flight distance to the drop point 32, that is, the reach distance η ₁ Is measured, the flight distance η ₁ , Flight time T calculated from equation (6) ₁ , And drag coefficient k in the height Z direction obtained from equation (9) ₁ By substituting, drag coefficient k in water discharge direction η ₂ Can be calculated.
[0040]
(2) Track deviation due to external airflow
When an external airflow acts on the water discharge track 31 in a windless state as shown in FIG. 4, for example, a track shift as shown in FIG. In FIG. 5A, as a result of the external airflow acting on the windless water discharge track 31, for example, a track deviation occurs as in the deflected water discharge track 31a. This orbital shift is such that the drop point 32 is shortened from the drop point 32a by a shift amount Δη, and is shifted clockwise by a shift angle ζ on the xy plane.
[0041]
It is assumed that an angular deviation of dζ occurs in dt seconds with respect to the deflected water discharge track 31a shifted due to the external airflow with respect to the windless water discharge track 31 in FIG. The change in momentum at this time is equal to impulse. Here, as shown in FIG. 5B, velocity components due to the external airflow applied to the water discharge flow 33a per unit time indicated by a cylinder at a certain time t are velocity components V1, V2, and V3. The velocity component V1 is a direction wind velocity component applied opposite to the water discharge direction of the water discharge flow 33a. The velocity component V2 is a transverse wind velocity component applied from the lateral direction in the horizontal plane to the water discharge flow 33a. Further, the velocity component V3 is a descending wind velocity component applied in the vertical direction, that is, downward in the vertical plane of the water discharge flow 33a.
[0042]
In consideration of the position of the time t and the next time (t + dt) for the water discharge flow 33a at a certain time t, the position of the water discharge flow 33b is obtained when there is no wind, and the water discharge flow 33c is received when an external air flow is received. Cause the angle deviation. If the angle shift due to the external airflow when moving from the water discharge flow 33a to the water discharge flow 33c is dζ, this angle shift can be considered to be mainly caused by the crosswind velocity component V2.
[0043]
For this reason, the increase in the momentum in the horizontal direction is as shown in FIG. 5 (C), and “proportional constant ξ is applied to the water discharge trajectory in proportion to the velocity component V2 of the external airflow. ₂ Is assumed to be given by the following equation.
[0044]
[Expression 11]

Where Δν = | ν _(t) | Dζ is expressed
[0045]
[Expression 12]

From this equation (11), the angular deviation dζ per time change dt is
[0046]
[Formula 13]

It becomes. Therefore, the arrival time T to the drop point 28 ₁ The shift amount ζ is given by the following equation.
[0047]
[Expression 14]

Since the calculation of the equation (12) is extremely difficult analytically, it is as follows when achieved by simple numerical integration.
[0048]
[Expression 15]

Here, from the equations (3) and (4), dz / dt and dη / dt are given by the following equations.
[0049]
[Expression 16]

Further, from the expressions (13), (14) and (15), ν _(t) Is given by:
[0050]
[Expression 17]

Therefore, the deviation angle ζ is obtained from the following equation from the equation (12).
[0051]
[Formula 18]

For this equation (17), by measuring and substituting the deviation angle ζ, the horizontal wind velocity component V2 in the horizontal direction applied to the water discharge trajectory by the external airflow can be estimated.
[0052]
Next, consider the effect of external airflow on the flight distance. It is considered that the descending wind speed component V3 and the heading wind speed component V1 in FIG. That is, when the descending wind velocity component V3 and the heading wind velocity component V1 are reflected as the drag acting on the water discharge trajectory in the height Z direction and the horizontal η direction, the new equation of motion is as follows.
[0053]
[Equation 19]

The equations of motion (18) and (19) are solved with respect to time as in the case of the windless water discharge track in FIG. 4, and the temporal changes in the height Z and the horizontal distance η are as follows.
[0054]
[Expression 20]

Next, the arrival time T until the deflection water discharge track 27a falls on the ground. ₂ Therefore, if Z = 0,
[0055]
[Expression 21]

Where (k ₁ / M) T ₂ Considering> 2,
[0056]
[Expression 22]

The ground arrival time T ₂ Is given by:
[0057]
[Expression 23]

Therefore, reach η _n Is as follows.
[0058]
[Expression 24]

Also, from equation (20), dz / dt is
[0059]
[Expression 25]

And the arrival time until time t2 when dz / dt = 0 is expressed as τ ₂ Then, it is given by the following equation.
[0060]
[Equation 26]

Also, the maximum height Z at this time ₂ max is as follows.
[0061]
[Expression 27]

Therefore, the change Δη in the reach distance to the drop point is the reach distance η in the no-wind state of Equation (7). ₁ To reach the distance η when affected by the external airflow determined by the equation (23) _n By subtracting, it becomes as follows.
[0062]
[Expression 28]

In this equation (26), exp {(− k ₁ / M) T ₁ } And exp {(− k ₂ / M) T ₂ } Is sufficiently small as compared with 1, so that it can be approximated as follows.
[0063]
[Expression 29]

Looking at this equation (27), the amount of deviation Δη due to the external airflow is proportional to the head wind velocity component V1 facing the water discharge track from the front. Also, looking at equation (22), the descending wind speed component V3 acting downward on the water discharge trajectory is the arrival time T from when the water is discharged until it falls to the ground. ₂ It can be seen that this has an effect on
(3) Correction of deviation due to external airflow
In the correction of the water discharge trajectory in the present invention, first, the deviation angle ζ is measured based on the equation (17). Since the head wind velocity component V1 and the cross wind velocity component V2 in the horizontal plane when the panning angle φ is changed to (φ + dφ) due to the external airflow now act so as to cancel each other out, the following formula V ₁ ', V ₂ become that way.
[0064]
[30]

In the above approximation, if sinδ = f (δ)
[0065]
[31]

δ → If you make it very small, the third and subsequent items approach 0,
f (δ) = 0 + δ
When replaced with δ = dφ, sindφ≈dφ
Similarly, it is based on cosdφ≈1.
[0066]
Here, the side wind velocity component V of the equation (28) is replaced with the equation (17). ₂ Substituting ´
[0067]
[Expression 32]

It becomes. Here, when the deviation angle ζ = 0,
[0068]
[Expression 33]

The panning angle change amount dφ at this time is
dφ = V2 / V1 (32)
It becomes.
[0069]
Therefore, the displacement angle ζ caused by the external airflow is corrected by substituting the horizontal wind velocity component V2 in the horizontal plane estimated from the equation (17) and the head wind velocity component V1 estimated from the equation (27) into the equation (32). Therefore, a panning correction angle dζ can be calculated.
[0070]
Next, the correction of the arrival distance shifted by the external airflow will be described. The reachable distance due to the external airflow is given by the equation (23), which is expressed as the distance change amount η with respect to the change in the tilt angle δθ. _n Is as follows.
[0071]
[Expression 34]

Based on this, the distance change Δη _n The tilt angle change amount Δθ with respect to is given by the following equation.
[0072]
[Expression 35]

Therefore, the reach distance * η to the falling point of the water discharge track is measured in a state where the panning correction of the water discharge gun is increased so as to increase by the panning correction angle dφ obtained by the equation (32). ) The reach distance η ₁ To obtain a deviation amount (insufficient distance) Δη. Thus, the drop amount Δη of the drop point obtained by actual measurement is expressed as Δη in the equation (35). _n By substituting into _n Thus, the tilt correction angle Δθ necessary for extending the distance can be obtained, and the falling point can be extended by the amount of deviation by tilt-controlling the water discharge gun by this tilt correction angle Δθ.
3. Water discharge control treatment
The flowchart of FIG. 6 is an overall flowchart of water discharge control by the controller 1 of FIG. 1 that discharges fire-extinguishing water to the fire source so as not to be affected by the external airflow. First, in steps S1 to S3, the drag coefficient k in the height direction Z is based on a mathematical model of a water discharge trajectory in a windless state. ₁ Estimation, ground arrival time T ₁ And drag coefficient k in the discharge direction η ₂ Estimate
[0073]
Next, in steps S4 to S7, on the basis of the mathematical model of the water discharge trajectory shifted due to the influence of the external airflow, the lateral wind velocity component V2 on the horizontal surface in the water discharge trajectory is estimated, and the descending wind speed component on the vertical surface of the water discharge trajectory. Estimated V3, ground arrival time T considering external airflow ₂ And the opposite wind velocity component V1 in the horizontal plane of the water discharge trajectory is estimated.
[0074]
In this way, drag coefficient k ₁ , K ₂ If the external air velocity components V1, V2, and V3 can be estimated, the corrected panning angle dφ is calculated and corrected in step S3. In step S9, the insufficient distance Δη is obtained from the actual measurement of the reach distance, and the corrected tilt angle Δθ is calculated and corrected in step S10. Such processing in steps S1 to S10 is repeated in real time processing until a water discharge stop instruction is issued in step S11.
[0075]
FIG. 7 shows the drag coefficient k in the height direction Z in step S1 of FIG. ₁ This is the details of the estimation process. Drag coefficient k ₁ In step S1, first, in step S1, the nozzle tilt angle θ, the water discharge flow rate m, and the water discharge gun installation height h are set. ₀ , Initial speed V ₀ Is read. Next, in step S2, the height Zmax of the maximum arrival time of the water discharge track is calculated using the equation (9). Next, in step S3, the maximum reach point height * Zmax of the water discharge trajectory obtained from the captured images of the water discharge fall position monitoring cameras 3a to 3d connected to the controller 1 is measured.
[0076]
In step S4, the deviation (Zmax− * Zmax) = ε between the theoretical value and the actually measured value in step S3. ₁ And the deviation ε in step S5 ₁ Is a predetermined threshold value δ ₁ Check whether it is within or not. If it is within the threshold δ1, then the drag coefficient k used in equation (9) ₁ Is determined to be an appropriate value, and the process ends. In step S5, the deviation ε ₁ Is the threshold δ ₁ If so, the process proceeds to step S6 to check whether it is less than zero or greater than zero.
[0077]
Deviation ε ₁ Current drag coefficient k if is greater than zero ₁ Is too large, the predetermined value Δk is determined in step S7. ₁ And then returning to step S2 again, calculating the height Zmax of the highest point of the water discharge track from the equation (9), and repeating the same processing. Conversely, in step S6, the deviation ε ₁ If the value is negative 0 or less, the current drag coefficient k ₁ Is too small, the predetermined value Δk is determined in step S8. ₁ Is added, and the process returns to step S2 to perform the calculation again. Drag coefficient k of such steps S5 to S8 ₁ By repeating the correction routine, the drag coefficient k tuned to the optimum value ₁ Can be estimated.
[0078]
Drag coefficient k in FIG. ₁ Following the estimation process, the ground arrival time T performed in step S2 of FIG. ₁ The drag coefficient k obtained by the estimation process of FIG. ₁ The time to reach the ground T by the calculation of the above equation (6) using ₁ Ask for.
[0079]
FIG. 8 shows the drag coefficient k in the water discharge direction η in step S2 of FIG. ₂ This is the details of the estimation process. This drag coefficient k ₂ First, in step S1, the tilt angle θ, the water discharge flow rate m, and the installation height h are determined. ₀ , And the ground arrival time T obtained in step S2 of FIG. ₁ In the next step S2, the flight reach distance η to the drop point is calculated based on the equation (1). ₁ Is calculated.
[0080]
Next, in step S3, the flight arrival distance * η from the monitoring image of any of the water discharge drop position monitoring cameras 3a to 3d provided for the controller 1 of FIG. ₁ Is actually measured. Subsequently, in step S4, the flight arrival distance deviation ε ₂ Ε ₂ = (Η ₁ -* Η ₁ ) And the deviation ε in step S3 ₂ Is the predetermined threshold value δ ₂ Check if less than
Deviation ε ₂ Is the threshold δ ₂ If it is smaller, the drag coefficient k used in the calculation of equation (7) at this time ₂ Completes the finalizing process as an appropriate value. Deviation ε ₂ If the absolute value of is greater than or equal to the threshold δ2, it is checked in step S6 whether or not it is greater than 0. If it is greater than 0, the predetermined value Δk is determined in step S7. ₂ And the process from step S2 is repeated. Deviation ε ₂ If 0 is negative or negative, a predetermined value Δk is obtained in step S8. ₂ And the processing from step S2 is repeated.
[0081]
FIG. 9 shows the details of the process for estimating the crosswind velocity component V2 on the horizontal plane of the water discharge track affected by the external airflow in step S4 performed in FIG. In the estimation process of the velocity component V2, step S1 is a drag coefficient k. ₁ , K ₂ , Initial speed V ₀ , Tilt angle θ, discharge flow rate m, arrival time T ₁ , And a predetermined time change Δt, and then in step S2, the drop point deviation angle ζ is actually measured from one of the images of the water discharge drop position monitoring cameras 3a to 3d provided in the controller of FIG. Next, in step S3, the cross wind velocity component V2 is estimated using the equations (16) and (17).
[0082]
FIG. 10 shows the details of the estimation process of the descending wind velocity component V3 for the water discharge trajectory in step S5 of FIG. In FIG. 10, first in step S1, the tilt angle θ, the grazing flow rate m, and the installation height h. ₀ , Drag coefficient k ₁ Is read. Next, in step S2, the arrival time τ from the equation (24) to the highest point in the water discharge trajectory ₂ Is calculated. Subsequently, in step S3, the height Z of the directional reaching point of the water discharge trajectory from the above equation (25). ₂ Calculate max.
[0083]
Subsequently, in step S4, the height of the highest point of the water discharge trajectory * Z from the image of any one of the water discharge fall position monitoring cameras 3a to 3d provided for the controller 1 in FIG. ₂ Measure max. Subsequently, in step S5, the deviation ε of the highest point _Three Ε _Three = (Z ₂ max- * Z ₂ max), and in step S6, the absolute value is compared with the threshold value Δ3. Deviation ε _Three Is the absolute value of the site δ _Three If it is smaller, then the descending wind speed component V3 used in the equations (24) and (25) is regarded as an appropriate value, and the process returns to the main routine of FIG.
[0084]
In step S6, the deviation ε _Three Is the threshold δ _Three If so, the deviation ε is determined in step S7. _Three Is greater than 0 or less, if it is greater, the descending wind speed component V3 is reduced by a predetermined value ΔV3 in step S8, and the processing from step S2 is repeated. Conversely, deviation ε _Three Is 0 or negative, the descending wind speed component V3 is increased by a predetermined value ΔV3 in step S9, and the processing from step S2 is repeated.
[0085]
When the process of estimating the descending wind velocity component V3 in FIG. 10 is completed, the ground arrival time T in consideration of the external airflow in step S6 in FIG. ₂ Is calculated based on the equation (22), and the head wind velocity component V1 facing the water discharge trajectory on the horizontal plane in the next step S7 is estimated.
[0086]
FIG. 11 shows details of the processing for estimating the head wind velocity component V1 in step S7 of FIG. In the process of estimating the head wind velocity component V1, first in step S1, the tilt angle θ, the discharge flow rate m, the installation height h ₀ , Initial speed V ₀ , Descending wind speed component V3 and ground arrival time T ₂ In the next step S2, the reach distance η to the drop point in consideration of the external airflow based on the equation (23) ₂ Is calculated. Subsequently, in step S3, the ground reach distance * η from the image of any one of the water discharge drop position monitoring cameras 3a to 3d provided for the controller 1 in FIG. 1 to the drop point. ₂ Is actually measured.
[0087]
In step S4, the distance deviation ε _Four Ε _Four = (Η ₂ -* Η ₂ ). Next, in step S5, the deviation ε _Four Is the predetermined threshold value δ _Four It is checked whether or not it is smaller. If it is smaller, it is estimated that the head wind velocity component V1 used in the calculation of the equation (23) in step S2 is appropriate, and the process returns to the main routine of FIG.
[0088]
In contrast, in step S5, the deviation ε _Four Is the threshold δ _Four If so, it is checked in step S6 whether or not it is greater than 0, and if it is greater than 0, the predetermined value ΔV1 is subtracted from the head wind velocity component V1 in step S7, and then the processing from step S2 is repeated. In step S6, the deviation ε _Four If 0 is negative or negative, the processing from step S2 after adding the predetermined value ΔV4 in step S8 is repeated.
[0089]
When the estimation process of the velocity component V1 in FIG. 11 is completed, the process returns to step S8 in FIG. 6, and the corrected panning angle dφ is calculated from the equation (32) and is increased by the corrected panning angle dφ. Take control. Next, in step S9, the short distance from the drop point to the fire source from the image of any of the water discharge drop position monitoring cameras 3a to 3d provided for the controller in FIG. Measure Δη.
[0090]
Next, in step S10, the tilt angle water discharge is performed by substituting the short distance Δη into the equation (35) to calculate the corrected tilt angle Δθ. As a result, the timing angle and tilt angle of the water cannon are corrected so as to correct the deviation from the fire point due to the external airflow at this time, and the fire-extinguishing water does not deviate from the fire point even under the external airflow. It can be reliably dropped to the fire source position.
[0091]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a simple mathematical model defined by the equation of motion considering the influence of the external airflow on the water discharge trajectory is created, and the external airflow with respect to the water discharge trajectory in a state where water is actually discharged By correcting the water discharge direction of the water gun while estimating the influence of the water in real time, it is possible to reliably extinguish the fire water by accurately reaching the fire source even when an external airflow is received.
[0092]
For this reason, the fire extinguishing apparatus using the water discharge gun which is easy to be influenced by the external air flow with a relatively low water discharge pressure can be applied to the building structure installed outdoors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a device configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the installation state of fire extinguishing equipment for an outdoor ball game field
FIG. 3 is a functional block diagram of a water discharge control unit provided in the controller of FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a water discharge trajectory created as a mathematical model
FIG. 5 is an explanatory diagram of a water discharge trajectory that has been displaced by an external airflow.
6 is a flowchart of overall control processing by the water discharge control unit of FIG. 3;
7 is a drag coefficient k of FIG. ₁ Of estimation process
FIG. 8 is a drag coefficient k of FIG. ₂ Of estimation process
9 is a flowchart of cross wind velocity component V2 estimation processing in FIG. 6;
10 is a flowchart of processing for estimating the descending wind speed component V3 in FIG. 6;
11 is a flowchart of processing for estimating the head wind velocity component V1 in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
1: Controller
1a: Water discharge control unit
2a, 2b: Fire source detection infrared camera
3a-3d: Water discharge fall position monitoring camera
5a, 5b: water cannon
6a, 6b: Nozzle
7a, 7b: Pan / tilt control section
8a, 8b: Water discharge pressure control unit
9: Pump control panel
10: Motor
11: Pump
12: Water tank
13: Monitor
14: Fire extinguishing target area
15: Fire source
17: Water discharge trajectory
18: Watering area
20: Calculation control unit
21: Mathematical model creation department
22: Drag coefficient estimator
23: External air velocity component estimation unit
24: Panning angle correction unit
25: Short distance measuring unit
26: Tilt angle correction unit
27: Head wind velocity component estimation unit (V1 estimation unit)
28: Crosswind velocity component estimation unit (V2 estimation unit)
29: Downward wind speed component estimation unit (V3 estimation unit)
30: Water discharge point
31: Water discharge trajectory
32: Drop point

Claims (2)

A fire source position detector for detecting the fire source position;
A water discharge control unit for controlling the direction of the water spray gun so that fire-fighting water discharged from the water gun can fall at the fire source position;
The provided, in the fire extinguishing apparatus for extinguishing a fire which has occurred in the monitoring area using the water cannon,
The water discharge control unit
A falling point detector for detecting a falling point of fire-fighting water discharged from the water gun;
A highest point detection unit that detects the height of the highest point of the water discharge trajectory of fire-fighting water discharged from the water discharge gun;
Create a mathematical model that takes into account the influence of external airflow on the water discharge flow when water is discharged to the fire source position with the water discharge gun, and detect the drop point detected by the drop point detection unit and the highest point detection unit Based on the measured value of the height of the highest point of the water discharge trajectory and the mathematical model, the lateral wind velocity component, the descending wind velocity component, the head wind velocity component of the external airflow with respect to the actual water discharge flow are estimated in real time, and fire extinguishing device comprising a benzalkonium control the direction. The fire extinguishing apparatus according to claim 1, wherein the water discharge control unit further includes:
A mathematical model creation unit that creates a mathematical model representing the motion characteristics of the water discharge trajectory when water is discharged into the monitoring space;
Drag in the height direction by tuning the mathematical model so that the deviations between the height Zmax and the reach distance η1 of the water discharge trajectory when the external airflow obtained from the mathematical model does not act and the measured values are below a predetermined threshold value A drag coefficient estimator for estimating a coefficient k1 and a drag coefficient k2 in the direction of water discharge;
Based on the trajectory deviation of the water discharge trajectory and the arrival shortage distance when the external air flow obtained from the mathematical model is applied, and each measured value, the lateral wind velocity component V2 of the external air current acting at right angles to the water discharge trajectory in the horizontal plane is estimated. A crosswind component estimation unit;
Based on the height Zmax of the maximum point of the water discharge trajectory when the external air flow obtained from the mathematical model is applied and the measured value thereof, the descending wind velocity component of the external air flow acting vertically downward on the vertical surface with respect to the water discharge trajectory A descending wind speed component estimator for estimating V3;
A head wind speed component estimator for estimating a head wind speed component V1 facing the water discharge track based on a difference between the water discharge reach distance of the water discharge track when the external air flow obtained from the mathematical model is applied and an actual measurement value;
A panning angle corrector that corrects the panning angle of the water discharge gun by calculating a panning correction angle dφ of the water discharge trajectory shifted by the external air flow based on the cross wind velocity component V2 and the head wind velocity component V1 of the external air flow;
Tilt for correcting the tilt angle of the water discharge gun by calculating the tilt correction angle dθ that compensates the water shortage distance actually measured in the correction state of the panning correction angle from the relationship between the head wind velocity component V1 and the tilt angle θ by the mathematical model. An angle correction unit;
A fire extinguisher characterized by comprising:

Images