高層建筑智能高效拋射滅火裝置研究

王 喆 孔維浩 安偉光

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 前言

與普通建筑火災相比，高層建筑火災撲救主要存在以下難題：高層建筑功能復雜、人員流動大、火災蔓延途徑多、消防員行動能力受限、火災撲救難度大。

針對上述難題，前人研發了多種滅火裝備。俄羅斯研制的GAZ-5903滅火車、美國O’Dwyer James Michael發明的移動式滅火炮等，這些裝備在調控、射程、機動性能、揚程等性能方面不能兼顧。另外，國外直升機參加高層建筑滅火也有先例，由于起火建筑上空存在強烈的上升氣流和紊流，其噴灑的滅火劑受到氣流影響很難形成有效的覆蓋面積[1]。劉少剛等發明了一種高層建筑消防炮，可以遠距離將裝有干粉滅火劑的滅火彈投送到火場內部彌散滅火[2]。缺點是消防炮采用了車載的方式，而高層建筑周邊地形、交通復雜，機動性較差。鄧全龍發明了一種氣動破窗滅火炮，可以實現大曲率射擊。但是否能夠在火災發生時打碎高層較厚玻璃，并將滅火彈射入室內，進行有效滅火，有待于實踐驗證[2]。

高層建筑消防滅火需要智能化程度高、滅火效率高、反應速度快、機動性能好的裝置[1]。該文設計的高層建筑智能拋射滅火裝置可以實現在起火的高層建筑外部自動調壓調角，精準發射滅火彈，很大程度上彌補了我國在高層建筑滅火設備上存在的不足[3]。

1 技術路線

通過理論建模和實驗，建立多因素耦合的精準拋射模型，結合數據采集系統、高效拋射系統、智能化調角調壓系統等，實現智能拋射滅火。高層建筑智能高效拋射滅火裝置研究的技術路線如圖1所示。

圖1 高層建筑智能高效拋射滅火裝置技術路線

2 設計方案

高層建筑智能高效拋射滅火裝置包括數據采集系統、高效拋射系統、智能化調壓調角系統、控制面板、氣源及底座系統。

2.1 數據采集系統

在選擇合適的數據采集系統時一般遵循：滿足測量精度；抗干擾（多為環境等影響因素）能力強；使用壽命長這3項原則。

數據采集系統包括測距部分、風向風速采集部分。拋射裝置的拋射高度可達到100m，因此選取保時安CS系列激光測距儀（最大測距600m，精度±0.3m）作為測距系統儀器。風向、風速采集部分采用三杯式風速測定儀及風向測定儀，將采集到的數據轉換為電信號反饋給PLC控制系統。

2.2 高效拋射系統

該系統主要由干粉滅火彈體、氣室以及減震裝置組成。干粉滅火彈彈體本身長為0.6m，內部裝有適量的干粉。為使拋射速度更穩定，設計氣動拋射裝置如圖2所示。工作原理：當擊發電磁閥打開，氣路上的氣體通過通氣孔一（圖2，左圖中短的箭頭指向的孔）與通氣孔二（圖2，左圖中長的箭頭指向的孔）分別進入活塞與內缸體形成的腔室內、外缸體內腔。活塞與內缸體形成的腔室內的氣體會通過通氣孔一向外排出，由于單向閥的設置，通氣孔不能向外排氣，此時，外缸體內腔的氣壓大于活塞與內缸體形成的腔室內的氣壓，將活塞的另一端從外缸體的出口端頂開，達到拋投的狀態。

圖2 氣動拋射裝置圖

同時，在該拋射系統中還裝有減震裝置，減少因為發射時所產生的后坐力，使發生的過程更穩定、高效、精準。

2.3 智能化調壓、調角系統

2.3.1 自動調壓系統

自動調壓系統包括電動調壓閥及壓力傳感器，調壓系統對準確地調整拋射裝置的壓力起至關重要的作用。PID控制器具有簡單易懂，可以調節控制規律如比例、積分、微分控制等優點，且使用中不需要精確的系統模型[4]，是應用最為廣泛的控制器。因此調壓系統采用PID運算控制器，可編程控制器PLC可以根據實際拋射高度的需要，自動計算出所需工作壓力值，電控減壓閥自動設定輸出壓力。壓力傳感器用于測定真實壓力值[5]，并將真實值反饋給PLC，PLC控制調壓閥做出調整，直至壓力與設定值一致，以達到更好的調整拋射壓力的效果。在該系統運行過程中，當所需壓力為P，壓力傳感器檢測到真實壓力值達到P時，反饋給PLC，待PLC控制調壓閥做出調整會出現一小段延遲時間，該時間內充氣會出現延遲誤差，為了對該誤差進行一定彌補，設計出先粗調后微調的充氣計劃，以所需調節壓力為6MPa為例，當壓力達到5.8MPa時，即控制調壓閥關閉，完成粗調，微調時以ns（短時，如0.02s）為充氣時長，開關調壓閥，進行比對，直至達到所需6MPa后停止。自動調壓系統研發示意如圖3所示。

圖3 自動調壓系統研發示意圖

2.3.2 自動調角系統

自動調角系統包括旋轉編碼器、聯軸器、減速器、伺服電機及滾珠絲杠等部分。編碼器的使用可以使調角更快速、精準，加強調角系統的穩定性。自動調角系統利用旋轉編碼器調整角度，旋轉編碼器基于電磁原理將機械的幾何位移量轉換為電子信號反饋給聯軸器，針對實際所需的拋射角度對控制電機發送正（負）反饋信號，從而使PLC啟動電機和減速器調整角度及速度。根據計算的拋射角度，電機旋轉到位，并根據編碼器反饋信號進行微調，精確到0.1°。當速度過快時，減速器利用齒輪的速度轉換器，將馬達的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩[6]。自動調角系統工作示意圖如圖4所示。

圖4 自動調角系統工作示意圖

2.4 控制面板

面板顯示內容包括目標距離、最優氣壓、當前氣壓最佳拋射角度和當前拋射角度等，并設置有一鍵調壓調角按鈕，操作人員可進行一鍵調壓調角，最后點擊屏幕上的發射鍵，即可實現快速拋射。如果第一次拋射不理想，還可根據具體實際情況自行進行增減壓或增減角度。增減角度精度為1°，增減壓力精度為0.1MPa，使設備在操作上更加人性化。

2.5 氣源及底座系統

氣源是高效拋射滅火裝置的動力，氣源的選型決定了拋射高度能否達到預期結果，項目設計的氣源及底座系統包括氣瓶、彈頭、底座等。針對不同火災環境，制定了多規格1/2/3/4/6/8L容積的壓縮空氣碳纖維氣瓶利用方案，其中1L容積碳纖維氣瓶充到30MPa可以工作4～5次，其余容積氣瓶拋射次數等比增加，可以保證設備拋射效率的同時實現多次拋射。將電控器件和氣源置于底座，利于便攜和更換，不僅達到縮減整體尺寸的目的，還能增加底座穩定性。底座采用扁平化設計，并且底座設計有可收縮滑輪，需要移動時，滑輪凸出，運送便捷。發射時，滑輪隱入，底座面著地，增加穩定性。

3 樣機

樣機主箱體尺寸為700mm×560mm×580mm（長×寬×高），主箱體分為2個部分，一部分是用于調節壓力和角度的PLC電控設備，另一部分用于儲存氣瓶。工作臺包括角度調節模塊、工作腔、緩沖裝置、控制面板（7.9英寸觸屏式）、風向傳感器、風速傳感器、測距儀（時安CS系列激光測距儀，精度±0.3m）、彈頭（長0.6m）及彈體（長0.9m）。

3.1 主要技術指標

精度指標（以高層建筑著火房間窗戶中心為基點）：縱向上/下1m、橫向左/右0.5m。響應指標：拋射完成時間為2min。智能化指標：調壓、調角誤差控制在1%以內。拋射高度指標：100m。

3.2 性能參數

高層建筑智能拋射滅火裝置總尺寸為750mm×560mm×750mm，壓力范圍為 0 MPa～8 MPa，角度范圍為 0°～70°，總重量50 kg，拋射高度為0 m～100 m，完成拋投平均時間≤2min，測距儀距離為600 m。裝置性能參數具體見表1。

表1 高層建筑智能拋射滅火裝置的性能參數表

3.3 功能

裝置工作時，先將環境信息測量后轉變為電信號反饋給系統，然后系統根據算法優化輸出最優拋射參數，最后控制器調整工作氣壓及拋射角度至指定值，一鍵觸屏完成拋射，將滅火彈發射到指定著火房間發揮作用。

3.4 關鍵技術

關鍵技術包括精準拋射理論和自動調壓調角并一鍵拋射。

3.4.1 精準拋射理論

建立彈體飛行的三維理論模型并通過模擬以及現場實驗結果優化參數，使該模型可以對現場信息采集裝置反饋回的數據快速處理，選擇最佳拋射方案。

3.4.2 自動調壓調角并一鍵拋射

通過PLC與顯示器、電機旋轉編碼器、自動調壓閥的協同運作，實現裝置自動調壓、調角的功能，操作簡單快捷。

3.5 運行條件

該裝置須在一定的運行條件下進行使用，運行條件如下：1） 難于發現，所以還無法應用該裝置，但是，隨著火災繼續發展，當達到轟燃時，房間的玻璃會由于過熱而炸裂，這時，則可采用該裝置，將滅火彈打到著火房間內，幫助消防隊員滅火救援，因此，該裝置所需運行條件的第一點就是要使著火房間內的火勢達到轟然。2） 由于高層建筑分布集中，相鄰高層中間應保留一定的間距，當裝置達到70°仰角時可以將滅火彈拋射至建筑的最高層。3） 滅火彈拋射軌跡中無阻隔物。

4 結論

針對高層建筑火災撲救存在的難題，該文研發了一款氣動式高層建筑智能高效拋射滅火裝置。該裝置通過PLC與顯示器、電機旋轉編碼器、自動調壓閥的協同運作，完成裝置的自動調壓、自動調角，采用無火藥的氣動發射方式從遠距離將裝有滅火劑的滅火彈一鍵投送到火場內部彌散滅火，具有操作簡單、智能化水平高、精確性強等特點，提高了滅火效率，彌補了當今高層建筑滅火裝備的不足之處，為高層建筑滅火難題的解決提供了新思路和方法。