郝文睿，阚江明

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

消防水枪水射流落点影响因素分析

郝文睿1，阚江明*

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

消防水枪水射流落点受水枪工况参数和环境条件等多重因素影响，为了进一步研究水射流的建模和控制问题，需要先对水射流的主要影响因素进行分析。本文通过实验得到消防水枪的工况参数和外界环境影响因素共同作用下的水射流落点位置，利用理论与数理统计相结合的方法对水射流落点的影响因素进行研究。首先通过理论分析说明了水枪工况参数对水射流的影响，然后利用相关性分析对外界环境影响因素进行筛选，最终选定压力、流量、高度、俯仰角度、水平角度和风的影响为水射流落点的主要影响因素。利用方差分析研究高度、压力、水平角度和俯仰角度对水射流落点的影响。结果表明水平角度和俯仰角度分别为对落点坐标在横向和纵向影响最大的因素。本文为以后水射流模型建立过程中变量的选取及定点灭火中水枪参数的控制提供依据。

水射流落点；统计学分析；影响因素

0 引言

火灾有蔓延速度快，破坏力强等特点[1]，特别是在扑救过程中会对消防人员的生命安全产生巨大威胁。实现自动控制下的定点灭火对于提高灭火过程中高效性和准确性的要求、保障消防人员生命安全有重要意义[2-4]。为了实现定点灭火中将水射流准确打击火源点的要求，水射流的研究分析在定点灭火消防设备研发中尤为关键。目前，已有一些研究人员对水射流开展的相关研究。如，基于理论分析和实验验证对消防炮的射程及影响因素进行的研究[5]；利用基于计算机的图像处理方法对水射流识别的研究[6-8]；基于运动方程方法建立水射流微元的微分运动方程进一步对射流特性及轨迹进行的研究[9-12]；还有一些研究基于水射流的轨迹模型提出了水射流的控制方法[13]。

上述研究中大多集中于在二维平面内对射流识别及轨迹的研究，实验条件中各影响因素水平数有限，对于各因素对射流造成的影响缺乏深入分析。鉴于此，本文通过实验数据对各因素对水射流落点的影响进行了较为全面的分析。

本文通过自然环境下的室外实验采集得到水射流在不同压力、俯仰角度、水平角度和高度条件下的落点坐标。首先对水枪工况参数对水射流的影响进行理论分析。然后通过相关性分析外界环境参数与对水射流落点间的密切程度，筛选出水射流落点的主要影响因素。最后，通过对控制因素和水射流落点坐标之间的方差分析确定出在两个方向上对其落点坐标影响最大的因素。通过上述一系列分析为后续水射流的建模及控制奠定基础。

1 水射流落点实验

1.1 实验系统

为了寻找水射流影响因素与其落点间的关系，需要进行大量实验，通过改变各影响因素变量值来采集不同条件下数据。本研究中以某消防设备公司生产的LH400CUV型消防车车载灭火装置作为主要实验设备，并在此基础上配置流量传感器、压力传感器、云台、升降台、环境数据监测传感器及用于数据处理的PC端等实验器材构建成完整的实验系统。如图1所示。

图1 实验系统结构图Fig.1 Structure of experiment system

1.2 实验设计

本文中影响因素的选取主要考虑工况参数和环境两个方面，其中工况参数影响因素包括：水枪高度h、水平角度α、俯仰角度β、压力p和流量q，环境因素包括相对湿度RH、温度T、风速v和风向φ，总共9个影响因素。实验初始状态定义为：云台水平角度和俯仰角度均设置为0°，并利用方位测量设备测量出该状态下水枪指向的方位角γ作为基准方位，此时出水口和地面间距离记为高度h。为方便记录落点位置，研究中设定一个平面坐标系：以水枪水平时出水口在地面上的投影点为原点O，水枪相对水平角度为0°(即云台水平角度为0°)时水枪所指方向为y正向，y正向顺时针旋转90°为x正向。实验数据记录时，将水射流的落点位置分解成x方向和y方向，即每个落点P对应一个坐标(，)。本文实验中取在各控制变量达到设定值时对应条件下水射流稳定散落的最密集处即水流落地区域的中心点为水射流落点，根据落点在实验所定义的坐标系中的位置记录落点坐标值为(x0，y0)。

实验为4因素(4因素是指实验中进行控制的四个因素，即“水枪高度、俯仰角度、水平角度、和压力”)完全实验，通过改变水射流影响因素中的水枪高度、俯仰角度、水平角度和压力来进行实验，每次实验中改变其中一个变量的值，其他变量保持不变。根据消防水枪典型工作压力和本实验所用汽油泵的出口压力选定了压力变量的水平值。结合消防水枪的实际用途及云台、升降台等设备的可调节范围，设计了相关变量的变化水平。

表1 实验因素水平Tab.1 Experimental factor levels

实验变量取值见表1，其余影响因素变量不进行人为控制。本研究采用完全实验，由表1中各变量水平个数相乘可知实验共采集到480组数据。每组数据都包含11个值，即9个影响因素的值(h，α，β，pkq，T，RH，v，φ)和2个落点坐标值(x0,y0)。

2 实验结果分析

通过水射流落点实验采集到了480组实验数据，每组数据中又包含多个影响因素数值，数据量相对较大。面对大量的实验数据想要利用影响因素来研究水射流建模与控制，就必须选取出适当的水射流影响因素。因此，需要对影响水射流主要因素进行分析，在采集得到的大量实验数据的基础上，从数理统计的角度对水射流影响因素与其落点坐标间的关系进行讨论。

2.1 水射流的影响因素

水枪水射流落点的影响因素有很多，主要分为以下3类[7]：工况参数，主要包括水射流的初始速度、初始俯仰角度和高度，在喷嘴面积不变的情况下射流初始速度主要由压力决定；设备结构参数，消防设备内部流道结构及水枪喷嘴设计会对射流形态及射程产生影响；外界影响因素，比如风速、风向等环境影响因素。

已有很多学者针对消防设备的结构参数对水枪水射流的喷射距离及灭火效果产生的影响进行了相关的研究[13]，如针对消防炮炮座流道、喷嘴结构和供水管道的设计和优化等。但由于消防设备结构参数众多且关系复杂，所以这些因素对于水射流造成的影响难以进行量化分析。由于本文中的实验基于森林消防车产品配备的灭火装置进行，对于设备内部结构参数的影响在此不作分析，仅对工况参数和外界影响两个方面的水射流影响因素进行研究。本文实验中将工况参数作为可控变量，即根据实验需求设定各变量的水平，人为的调节其大小；外界影响因素为不可控变量，即实验过程中不控制其变量水平但会通过传感器对其数值进行采集。下面将对影响较为直观的工况参数影响因素进行说明，对于外界影响因素会在之后小节中通过数据进行分析。

2.1.1 消防水枪工况因素分析

这里提到的工况参数是指消防水枪在工作时可控制的工作状态参数，下面对各参数对水射流产生的影响分别进行说明：

(1)压力：压力是水射流射程重要的影响因素，在正常工作压力范围内提高喷射压力可以明显提高射程[5]。孙健在其研究中分析发现射流压力变大时，初始能量随之变大，则射程也相应增大；但当压力增大到一定程度后，射流截面积增大引起的空气阻力增大成为主要影响因素，射流的射程会随压力增大而减小[9]。

(2)流量：增大流量能够使射流充实核心区域长度增加。压力不变时增加流量需要通过将喷嘴面积变大的方法实现。本文实验中水枪的喷嘴固定，所以只将压力设为控制变量，流量随压力的增大而增大。

(3)高度：水枪高度对射流下落的高度和时间有影响。在其他参数不变的条件下，增加水枪高度可以增加水射流的射程，从而在一定程度上扩大水射流覆盖范围。

(4)俯仰角度：俯仰角度在一定范围内，水射流射程会随其增加而增加。到达某一角度后射程随角度增加而减小。有研究认为射程最远对应的角度为30°，也有仿真实验显示为40°[9]，这一角度值没有明确定论。廖小东等人在基于Matlab的消防炮射流轨迹研究中也对俯仰角度的影响进行了模拟分析，其结果显示当俯仰角度超过60°后由于风的影响，仿真结果与实际偏离较大，作者建议将风速等影响因素考虑在内对模型进行优化[15]。

(5)水平角度：一般对消防设备射流的研究选择固定水平角度，实际应用中加入水平角度调整可使水流覆盖范围扩大。水平角度变化范围较小时，角度和落点横坐标之间呈线性关系，改变水枪水平角度可快速调整射流落点横向偏移。

2.1.2 环境影响因素分析

工况参数对于水射流落点的影响较为直接，在此不再赘述。本文这一部分主要利用SPSS软件对外界环境影响因素对于水射流落点的影响进行分析。

研究中常用到计算相关系数的方法得出影响因素与因变量之间密切程度，选择相关系数较高的影响因素作为建立模型的输入变量。在存在多个影响因素的分析中，由于变量间关系复杂且因变量受多个因素影响，可以采用计算偏相关系数的方法来研究变量间相关关系。偏相关分析是在控制其他可能对其产生影响的变量的条件下研究多因素构成系统中两个变量因素间的相关密切程度，这时计算的相关系数为偏相关系数。

(1)温度、湿度：本文中通过实验得到的落点坐标是多个变量共同影响下得到的数据。为了分析温湿度为落点坐标带来的影响，这里用SPSS软件对温度和湿度与水射流落点x、y分别进行偏相关分析。将除了计算偏相关系数的两变量以外所有变量设为控制变量，得到的偏相关分析结果见表2。

从表2中可以看出，温度、相对湿度和落点坐标间计算得到的偏相关系数都很小，且各偏相关分析双侧检测的相伴概率均大于给定的显著性水平0.05，这说明温湿度与落点坐标间不存在显著的相关性。由于温度和湿度在实验期间变化不大且通过数据分析观察不到其对水射流落点的影响，因此，在对水射流进行分析时，将温度和湿度这两个变量排除在主要影响因素以外。

表2 温湿度与落点坐标的偏相关分析Tab.2 Partial correlation analysis of temperature and humidity factors and landing point coordinates

注：显著性水平0.05

(2)风速、风向：从直观感知可以知道风对水射流有较大的影响。孙健在其研究中将风的影响引入建立的射流模型[9]。他首先根据伯努利方程确定了风速和风压的关系，再将风压与风速的关系代入仿真模块并且将风压与射流截面积的乘积作为风的阻力代入空气阻力模块。但是其研究中只对风从正面或背面吹来这两个方向进行了仿真，风从侧面吹来的情况则无法分析。

本研究中没有对风的方向进行限定，因为风的方向不确定所以对于风作用于射流的影响不能直接利用风的阻力方程进行分析。由于本研究中是以水射流的落点位置为研究对象，所以为了分析风的因素对水射流落点位置的影响，需要将风速和风向综合起来考虑。

本研究实验中风向传感器采集到的0～5 V电压信号对应的是以正北为基准0°方向的0°～360°风向方位角φ，而这里实验中水枪初始状态的方位角不是指向正北，因此，计算时不可直接使用传感器测量得到的风向角度的数据。需要对传感器测得的风向角度数据进行一些变换再结合风速数据进而来综合分析风对水射流落点的影响。

气象学上将风吹来的方向定义为风向，风向传感器测得的角度即为风吹来方向的方位角。风向角度测量基准与水枪基准方位角不重合时，单独测量风向角度没有意义。要考虑风向的影响就要知道风吹向的方向和水枪基准方向间的夹角。因此，引入了角度θ，定义为风吹向的方向和水枪基准方向间的夹角，如图2所示，γ为水枪基准方位角，φ为风吹来的方位角，则φ-180°为风吹向的方向的角度，其定义式如下所示：

θ=φ-180-γ。

(1)

图2 风向与水枪基准方向角度示意图Fig.2 Wind direction and reference angle of fire-fighting lance diagram

风和水射流存在于三维空间中，水射流在不同的位置有不同的射流截面积，所以风对射流产生的影响是相对复杂的。为了便于分析，本文只从宏观角度上考虑风对水射流带来的影响，认为风对其落点的影响由风速v和角度θ决定。将风的影响因素分解到本文所定义的坐标系的两个方向上，并可以得到风在两个方向上的影响因子变量，其定义式为：

(2)

为了验证提出的风在x和y两方向上影响因素变量对于落点的影响，这里分别对和windx、windy和y两组变量进行了偏相关分析，通过SPSS对两组变量进行相关性分析，其结果见表3。

表3 风影响因素与落点坐标的偏相关分析Tab.3 Partial correlation analysis of wind factors and landing point coordinates

注：0.000表示趋近于0的正数，*表示具有显著性

从表3中可以看到在控制其他变量的条件下windx和x关系密切，两变量之间的偏相关系数为0.372，双侧检测的相关概率为0.000(表示趋近与0的正数)，明显小于显著性水平0.05，说明这里提出的将风速风向综合起来的影响因子windx与落点坐标x之间存在显著相关性。检验结果说明对风速、风向影响因素进行这样的变换处理是可行的。但是从分析结果中看到windy和y之间的相关性不显著。实验中水平角度变量根据实际灭火需求和实验场地的限制取了-15°、0°和15°三个水平，水平偏转角度较小，即水流喷射方向基本朝向y正向，y方向上的速度分量占水射流出口速度的绝大部分。本研究中进行实验时的风力基本在2级左右，测得的大多数风速数据在2 m/s以下。因此，y方向上的风速与该方向上射流速度相比是非常小的数值。这样的数据采集条件下，风对水射流横向偏移的影响作用更容易通过数据体现出来。而y方向上落点受该方向上风的影响因素分量windy作用而产生的偏移量从数据上不能很好的被观察到。但是不能否定风会对y方向落点坐标产生影响，因此仍将windy作为水射流的影响因素变量。

2.2 模型控制变量方差分析

实验中水射流的落点坐标在多个影响因素共同作用下得到。在控制消防设备进行定点灭火时改变哪个影响因素能够快速移动水射流落点位置从而最快达到效果同样是十分关键的问题。因此，需要通过方差分析来研究各因素对落点坐标产生的影响。

方差分析常用于分析控制变量对观测变量的显著性影响情况，其基本原理是将总变异的平方和与自由度分解为不同变异来源的相应部分，通过分析总变异中不同来源的变异对其贡献的大小来确定各个因素对结果影响的大小。多因素方差分析用于研究因变量在两个及两个以上控制变量的影响下是否产生显著性差异。多因素方差分析不仅可以分析多因素中每个因素对因变量产生的影响，还能够对多个因素之间的交互作用带来的影响进行分析。

进行方差分析的前提条件是控制变量各个水平下的样本来自正态总体和各个水平间的样本方差相等(即各组方差具有齐性)。其中正态分布的要求不是非常严格，但对于方差齐性要求较为严格，因此进行方差分析时需要对方差是否满足齐性要求进行检验。

分析各因素的影响时，将落点坐标x和y作为观测变量，将水枪高度、俯仰角度、水平角度和压力作为控制变量。除了各个控制变量的主效应外，另外还将高度、水平角度与俯仰角度三个控制变量两两之间的交互项选入方差分析模型中，方差齐性检验结果及多因素方差分析结果分别见表4和表5。

表4 误差方差等同性Leneve检验Tab.4 Results of homogeneity test for error variance

表4给出了两个因变量在各个因素水平下的Levene检验结果，即方差齐性检验结果。检验的零假设为：在所有组中因变量的误差方差均相等。因变量为x时的相伴概率为0.219，因变量为y时相伴概率为0.097，显著性检验相伴概率均大于0.05，因此可以认为在0.05的显著性水平上各个组总体方差无显著差异的，满足方差齐性条件。

表5是多因素方差分析各因素检验的输出结果。两个因变量的方差分析模型的F统计量分别为148.961和75.215，概率水平均为0.000(表示趋近于0的正数)，可知建立的方差分析模型是显著的。从各项显著性检验结果来看，各个控制变量单独作用时的相伴概率均小于0.05，说明其均对两个方向上的落点有显著影响。模型总的离差平方和分为三个部分：多个控制变量对观测变量的单独作用、控制变量间的交互作用和其他随机因素带来的影响。从表5中可以看到，各个控制变量单独作用下贡献的离差平方与均方。其中，水平角度因素对因变量x贡献离差平方和为1 217.846，均方为608.923，在各个控制因素中比重最大，这说明水平角度对落点坐标x影响最大。因变量为y时，俯仰角度贡献离差平方和为1 033.079，均方为114.787，在各因素中最大，即对落点坐标影响最大的控制变量为俯仰角度。表格下方还给出了因变量为x时的R2为0.962，调整R2为0.956，说明x的变异能被控制变量及给出交互效应解释的部分有95.6%；因变量为y时的R2为0.928，调整R2为0.916，表明落点坐标y的变异能被解释的部分占91.6%。由此，落点坐标的变异大部分都能被选择的控制变量所解释。

表5 多因素方差分析结果表Tab.5 Results of multi-factor variance analysis

注：1.R2=0.962(调整R2=0.956)；2.R2=0.928(调整R2=0.916)

3 结论

本文通过实验改变水枪工况参数采集到工况参数和外界环境影响因素共同作用下的水射流落点坐标。首先结合相关水射流研究，讨论分析了消防水枪工况参数对水射流的影响问题。然后基于采集到的实验数据通过计算各外界环境影响因素和落点坐标之间的相关性，筛选出相关性高的影响因素，最终选定水枪高度h、水平角度α、俯仰角度β、压力p、流量q、风的影响指标windx和windy作为水射流落点主要影响因素。通过方差分析的方法对水枪高度、水平角度、俯仰角度和压力4个控制变量对落点坐标的影响进行了分析，结果表明这些变量可以解释90%以上的两个方向上落点坐标的方差变异，落点坐标在x方向和y方向上最显著的影响因素分别为水平角度和俯仰角度，为后续水枪姿态的调节提供了参考依据。

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AnalysisofInfluencingFactorsofFire-fightingLanceWaterJetLandingPositions

Hao Wenfui1，Kan Jiangming*

(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083)

The landing positions of fire-fighting lance water jet are influenced by multiple factors，such as working condition parameters and environment factors.In order to further study the modeling and control of water jet，it is necessary to analyze the main influencing factors of water jet.The landing positions of water jet which are influenced by working condition parameters and external environment are obtained through experiment.The influencing factors are studied by combining theoretical and mathematical statistics.Firstly，the influence of working condition of the fire-fighting lance on the water jet is explained by theoretical analysis.Then，the correlation analysis is used to screen the external environmental factors.Finally，pressure，flow，height，pitch angle，horizontal angle and wind are chosen as the main influencing factors.Variance analysis is used to study the above factors.The results show that horizontal angle and pitch angle are the most important factors in the X and Y direction separately.This paper provides the basis for establishment of the water jet model and the controlling of the fire-fighting lance.

Water jet landing positions；statistical analysis；influencing factors

S 762

：A

：1001-005X(2017)05-0050-06

2017-03-30

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(TD2013-4)；北京市共建项目专项资助(2013)。

郝文睿，硕士研究生。研究方向：森林工程装备及其自动化。

阚江明，博士，教授。研究方向：森林工程装备及其自动化。E-mail：kanjm@bjfu.edu.cn

郝文睿，阚江明.消防水枪水射流落点影响因素分析[J].森林工程，2017，33(5)：50-55.