多功能消防水枪虚实融合训练系统研发.pdf
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1、消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期消防设备研究多功能消防水枪虚实融合训练系统研发许晓元1,2,3,陈红光1,2,3,李晶晶1,2,3,朱红亚1,2,3(1.应急管理部天津消防研究所,天津 300381;2.工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室,天津 300381;3.天津市消防安全技术重点实验室,天津 300381)摘要:基于人机交互、虚实融合、精准灭火剂喷射轨迹、火灾衰减模型等技术,对多功能消防水枪虚实融合系统进行研发设计,可实现多功能消防水枪在不同典型复杂连锁火灾场景需求下的模拟训练。针对灭火剂喷射高度、距离、角度等关键参量进行试验验证,该系统可实现误差 2%
2、以下的精准复现,还可贴近实际灭火作用下火灾发展的效果,有效提升消防员在典型复杂火灾场景中的实战处置技能。关键词:多功能消防水枪;虚实融合;模拟训练;轨迹算法;真实性中图分类号:X932;TU998.1 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)08-1103-05多功能消防水枪是消防救援的重要装备1,针对不同类型火灾特点和灭火战术需求,水枪需形成直流、喷雾、开花等射流效果,以达到最优的灭火效能2。目前,真火模拟训练是消防救援队伍成熟且力求还原真实场景的主要训练手段,而真火模拟训练因具有成本高、环保性差、燃料单一、灭火反馈准确率低、不能模拟复杂连锁火灾场景等缺陷,无法完成高效训练。
3、VR 等虚拟现实技术因具有高效可重复、场景真实、参与性强等优点被广泛应用在消防训练中3-6。传统的 VR 模拟训练常采用脚本式7-8,不能准确模拟射流轨迹、调整水流大小、角度、距离,场景无法实时交互,灭火过程中,不能反映火源行为变化,无法遵循火灾发展、灭火反馈真实的发展规律。因而,现有的 VR训练系统在实用性、真实性、交互性方面仍有不足,仅能提升代入感,而无法有效提升作战水平。针对以上不足,研发了多功能消防水枪虚实融合训练系统,基于 VR、半实物模拟器以及相关计算模型,实现了实体交互、人机交互、虚实交互的高还原度火灾模拟训练。该系统包含射流轨迹、火源行为变化等多个模型,可高度还原灭火剂轨迹和灭
4、火剂作用下的火源衰减过程,还可还原水枪重量、反作用力等参数。构建了复杂的火灾场景,可大大提高训练的真实性,有效提升训练效率。1多功能消防水枪虚实融合系统设计以多功能水枪、水带为实体、三维多功能水枪动作演示以及相应虚拟典型火灾场景为虚拟结果展示的多功能消防水枪虚实融合训练系统如图 1所示。训练系统构成如图 2所示,系统包括硬件、软件、数学模型。多功能消防水枪内置状态感应装置及算法,操作水枪时可感知水枪的工作状态,包含射水状态(水柱、水花、水雾)、开度和角度,在虚拟系统中显示不同操作条件下喷射水流的形态。通过落点算法感知水流落点,准确模拟落点位置。水枪落点算法采用试验-函数模拟方法,通过供水压力、
5、水枪开度和水枪角度等因素相关的函数获得。利用火势变化模型,模拟火源在灭火剂作用下的行为变化。通过试验,验证模拟形态涉及的高度、距离、角度等参量,可实现精准的反馈效果,误差在 2%以内。模拟系统构成如图 3所示,包括多功能水枪、HTC 追踪器、HTC VR 头盔、轨迹算法及模拟火灾场景融合系统等,显著增强了模拟训练的真实性。水枪模拟器实体通过串口协议与模拟训练系统实现人机交互,以.NET 框架为基础,实现轨迹算法在水枪模拟系统中准确复现。图 1多功能消防水枪虚实融合系统Fig.1Multi-functional fire water gun virtual-real intergration s
6、ystem多功能消防水枪虚实融合训练系统软件硬件数学模型“.NET”平台人机交互,串口协议HTC Pro 2.0 水枪模拟器训练考核任务功能业务美术模型火势变化模型轨迹模型消防员模型场景模型水枪模型喷雾开花直流考核训练单片机传感器定位器基站手柄头盔图 2多功能消防水枪虚实融合训练系统构成Fig.2Composition of virtual-real intergration training system for multi-functional fire water gun基金项目:国家重点研发计划“虚实融合态势仿真推演与应急救援三维演练系统”(2020YFB2103504)W1103Fi
7、re Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.82消防水枪喷射算法在虚拟环境中的应用2.1射流轨迹的可视化再现闵永林等9基于牛顿运动定律和空气阻力理论,考虑俯仰角,提出了一种消防水炮射流轨迹模拟的理论模型,通过算例和试验证明了该模型与实际射流轨迹比较吻合。瞿洋10基于破碎理论建立消防水炮射流轨迹模型,对影响射流轨迹的射流初速度、俯仰角和风速等进行误差值设置,通过组合算法预估了变化较小的射流靶点变化范围。孙靖11基于牛顿运动定律和空气阻力理论,同时考虑水在运动过程的破碎现象,建立了水枪射流理论模型,在上升和下降阶段分别添加截面积修正系数和阻力修正
8、系数,并且建立了归一化公式,能够针对任意俯仰角射流轨迹进行预测。孙靖的模型考虑因素较全面,因此,选择该模型进行虚拟场景再现。该模型通过对受力分析进行微分,并结合弹道学理论,得到消防水炮射流轨迹理论模型微分方程组,受力分析如图 4所示,微分方程组见式(1)式(4)。dvdt=-Ftm-g sin ddt=-kg cos vdxdt=v cos dydt=v sin(1)Ft=-12空v2SMCX(2)SM=A0(1+aln(1+x)(3)SM=A0(1+bln(1+y0-y)(4)式中:v为射流微元体的速度;为速度 v与水平面夹角;m为射流微元体质量;Ft为射流微元体的空气阻力,由于实际射流过程
9、中破碎现象的发生,Ft会与 v 反方向,偏离一定角度;t为射流微元体运动的时间;x和 y为射程和射高;k 为阻力修正系数;空为空气密度;SM为微元体横截面积;CX为空气阻力系数;A0是初始横截面积;a、b 分别为上升段和下降段面积修正系数;y0为射流最高点的射高。基于虚拟现实引擎 Unity 3D,搭建虚拟的三维场景,以.NET 框架为基础,实现一个轨迹算法类。通过在不同角度下对比 Unity仿真射流轨迹与实际射流轨迹,检验射流轨迹模型的准确性。在案例中,采用 YST-4NN 型水炮进行试验,工作压力为 689.5 kPa,额定流量 Q 为 94.625 L/s,出口等效直径d为 57.15
10、mm,炮口水射流流速见式(5)。v0=4Qd2=36.89 m/s(5)在不同俯仰角下水射流的射高和射程对比及其误差分别如表 1和表 2所示。由表 1 和表 2 可知,射高的预测值与实际值非常接近,误差均在 1.1%以内,而射程的预测值与实际值相差较大,均已超过 10%,最大达到 21.53%,说明各俯仰角下射流轨迹预测曲线与实际曲线在上升段拟合程度较高,而在下降段误差较大,拟合程度较低。根据试验及查阅资料得出,水射流从炮头射出时为实心圆柱体,而后由于射流破碎,导致与空气接触部分的水射流变成液滴,此时内部依然是实心的,直到整个射流液柱全部破碎为液滴。所以将射流轨迹模型分为前后两部分,以轨迹最高
11、点为分界点,统一以距离 x为自变量,并通过在截面积计算公式中添加不同的系数,以满足前期射流截面积变化快,后期变化慢的假设。此时下降段的截面积SM计算见式(6)。SM=A0(1+bln(1+x)(6)修正后,各俯仰角下消防水炮射流轨迹计算所需参VR模拟消防枪多功能水枪HTC追踪器HTC VR 3D头盔消 防 水 枪 开度算法水 枪 落 点 算法模 拟 火 灾 场景融合图 3多功能消防水枪 VR模拟系统构成Fig.3VR simulation system composition of multi-functional fire water gunvFtmg图 4射流微元体受力分析图Fig.4St
12、ress analysis diagram of jet micro-element表 1仿真射高与实际射高对比Table 1Comparison of simulated shooting height and actual shooting height角度30456075仿真射高/m15.8526.8439.6652.08实际射高/m15.7326.6039.4451.52误差0.76%0.90%0.56%1.09%表 2仿真射程与实际射程对比Table 2Comparison between simulated range and actual range角度30456075仿真射程/
13、m88.0787.1575.8149.10实际射程/m79.8572.5462.5040.40误差10.29%20.14%21.30%21.53%数如表 3所示。不同俯仰角下水射流的射程对比及其误差见表 4。通过以上分析可知,射高和射程的预测值与实际值非常接近,误差均在 1.1%以内,说明各俯仰角下射流轨迹预测曲线与实际曲线一致性较高,证明了消防水炮射流轨迹模型的准确性。对于水流轨迹的外观使用 Unity 引擎中的拖尾系统实现。水滴生成后,调用轨迹算法类的对外功能函数接口,获取此刻水滴的轨迹点集,采用 DoTween 插件的路径移动方法,使该水滴沿轨迹算法类计算的射流轨迹运动,每隔固定时间实时
14、生成新的水滴,当生成水滴时间间隔足够小时,可以在虚拟空间中形成连续的水流效果。2.2开花轨迹的可视化再现开花时流态如图 5 所示,当前炮口方向为 PO。对于开花轨迹效果可近似看作多条射流轨迹的组合,如当开花角度为时,此时 PM为开花轨迹上其中一条射流轨迹的初始方向,其中,PM=PO+OM。相邻一条射流轨迹的初始方向可以由 PM绕当前炮口方向逆时针旋转得到,依此类推,可以得到 PM绕当前炮口方向逆时针旋转1 周的射流方向,当足够小时,此时的射流轨迹效果是连续的,即实现了开花效果的模拟。对于开花轨迹的多条射流轨迹,根据其初始方向的不同,可以分为水平面以上和水平面以下两种。当初始方向在水平面以上时,
15、调用的是直流轨迹上升阶段的算法,此时阻力修正系统与直流相同,面积修正系数公式见式(7)。SM=A0(1+aln(1+x)(7)当初始方向在水平面以下时,调用的是直流轨迹下降阶段的算法,此时阻力修正系统与直流相同,面积修正系数公式见式(8)。SM=A0(1+bln(1+x)(8)在计算过程中,将开花轨迹效果的实现转化为多条射流轨迹效果的实现,其准确性与直流轨迹是相同的。在 Unity 的具体实现方式与直流基本相同。将开花轨迹的可视化再现问题转化为多条直流的可视化再现,准确性得到了保证,效果也得到了实现。2.3泡沫轨迹的可视化再现相对于水,泡沫在空气中运动时质量较轻,受到的阻力更大,因此,在添加阻
16、力修正系数的基础上加入泡沫阻力修正系数 f1、f2,用于模拟上升段及下降段由于泡沫阻力受到的影响,造成泡沫射流轨迹和水射流不同的现象。通过泡沫试验数据和水射流理论模型的对比,计算出泡沫理论模型中的修正系数,进而模拟泡沫的轨迹模型。上升段阻力系数公式见式(9)。ddt=-f1kg cos v(9)下降段阻力系数公式见式(10)。ddt=-f2kg cos v(10)同样采用 YST-4NN 型水炮进行泡沫试验,工作压力为 689.5 kPa,额定流量 Q 为 94.625 L/s,炮头离地高度为 0.61 m,出口等效直径 d 为 57.15 mm。此时泡沫轨迹在不同俯仰角下的实际射程与实际射高
17、如表 5所示。计算出 f1和 f2的数值分别为 3.06 和 0.31。此时在不同俯仰角下泡沫轨迹的射高和射程对比及其误差如表 6和表 7所示。由表 6和表 7可知,射高和射程的预测值与实际值比较接近,误差均在 5%以内,说明各俯仰角下泡沫轨迹预测曲线与实际曲线一致性较高,证明了消防水炮泡沫轨迹模型的准确性。表 3修正后各俯仰角下射流轨迹计算所需修正系数Table 3Required correction coefficient for the jet trajectory at each pitch angle after correction表 4修正后仿真射程与实际射程对比Table 4
18、Comparison between simulated range with actual range after correctionPONM图 5开花方向示意图Fig.5Flowering direction diagram表 5实际射程与实际射高Table 5Actual range and actual shooting height1104消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期数如表 3所示。不同俯仰角下水射流的射程对比及其误差见表 4。通过以上分析可知,射高和射程的预测值与实际值非常接近,误差均在 1.1%以内,说明各俯仰角下射流轨迹预测曲线与实际曲线一致性较高,
19、证明了消防水炮射流轨迹模型的准确性。对于水流轨迹的外观使用 Unity 引擎中的拖尾系统实现。水滴生成后,调用轨迹算法类的对外功能函数接口,获取此刻水滴的轨迹点集,采用 DoTween 插件的路径移动方法,使该水滴沿轨迹算法类计算的射流轨迹运动,每隔固定时间实时生成新的水滴,当生成水滴时间间隔足够小时,可以在虚拟空间中形成连续的水流效果。2.2开花轨迹的可视化再现开花时流态如图 5 所示,当前炮口方向为 PO。对于开花轨迹效果可近似看作多条射流轨迹的组合,如当开花角度为时,此时 PM为开花轨迹上其中一条射流轨迹的初始方向,其中,PM=PO+OM。相邻一条射流轨迹的初始方向可以由 PM绕当前炮口
20、方向逆时针旋转得到,依此类推,可以得到 PM绕当前炮口方向逆时针旋转1 周的射流方向,当足够小时,此时的射流轨迹效果是连续的,即实现了开花效果的模拟。对于开花轨迹的多条射流轨迹,根据其初始方向的不同,可以分为水平面以上和水平面以下两种。当初始方向在水平面以上时,调用的是直流轨迹上升阶段的算法,此时阻力修正系统与直流相同,面积修正系数公式见式(7)。SM=A0(1+aln(1+x)(7)当初始方向在水平面以下时,调用的是直流轨迹下降阶段的算法,此时阻力修正系统与直流相同,面积修正系数公式见式(8)。SM=A0(1+bln(1+x)(8)在计算过程中,将开花轨迹效果的实现转化为多条射流轨迹效果的实
21、现,其准确性与直流轨迹是相同的。在 Unity 的具体实现方式与直流基本相同。将开花轨迹的可视化再现问题转化为多条直流的可视化再现,准确性得到了保证,效果也得到了实现。2.3泡沫轨迹的可视化再现相对于水,泡沫在空气中运动时质量较轻,受到的阻力更大,因此,在添加阻力修正系数的基础上加入泡沫阻力修正系数 f1、f2,用于模拟上升段及下降段由于泡沫阻力受到的影响,造成泡沫射流轨迹和水射流不同的现象。通过泡沫试验数据和水射流理论模型的对比,计算出泡沫理论模型中的修正系数,进而模拟泡沫的轨迹模型。上升段阻力系数公式见式(9)。ddt=-f1kg cos v(9)下降段阻力系数公式见式(10)。ddt=-
22、f2kg cos v(10)同样采用 YST-4NN 型水炮进行泡沫试验,工作压力为 689.5 kPa,额定流量 Q 为 94.625 L/s,炮头离地高度为 0.61 m,出口等效直径 d 为 57.15 mm。此时泡沫轨迹在不同俯仰角下的实际射程与实际射高如表 5所示。计算出 f1和 f2的数值分别为 3.06 和 0.31。此时在不同俯仰角下泡沫轨迹的射高和射程对比及其误差如表 6和表 7所示。由表 6和表 7可知,射高和射程的预测值与实际值比较接近,误差均在 5%以内,说明各俯仰角下泡沫轨迹预测曲线与实际曲线一致性较高,证明了消防水炮泡沫轨迹模型的准确性。表 3修正后各俯仰角下射流轨
23、迹计算所需修正系数Table 3Required correction coefficient for the jet trajectory at each pitch angle after correction角度30456075a159259299323b874.51 424.51 644.51 776.5k上升段1.0501.1801.1961.200下降段1.651.561.451.38表 4修正后仿真射程与实际射程对比Table 4Comparison between simulated range with actual range after correction角度30456
24、075仿真射程/m79.0472.9061.8140.58实际射程/m79.8572.5462.5040.40误差-1.01%0.50%-1.10%0.45%PONM图 5开花方向示意图Fig.5Flowering direction diagram表 5实际射程与实际射高Table 5Actual range and actual shooting height角度30456075实际射程/m64.6858.7650.6332.72实际射高/m12.7421.5531.9541.731105Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8
25、在 Unity的具体实现方式与直流轨迹基本相同,区别在于需要进行拖尾轨迹材质的设置,采用泡沫贴图时需要进行泡沫轨迹的设置,进而实现了泡沫轨迹的可视化再现。2.4灭火剂作用下的火势衰减模型火源的热释放速率是火灾规模表征的重要参数,油池火具有燃烧热释放速率稳定以及燃烧速率和强度易控制等特性,可作为火势变化的计算模型。火源直径、火源高度等是火灾热释放速率大小的重要特征体现,通过火灾热释放速率与火源直径、火源高度关联式的理论模型可一定程度实现真实火灾场景下可靠的模拟训练系统的火灾特征渲染。2.4.1火灾场景下的热释放速率计算模型12油池火的热释放速率与油池火直径之间的关系见式(11)、式(12)。Q=
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