适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统

摘要

本申请公开了一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，包括：指控设备(2)、发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探测设备(9)，其中，光电探测设备(9)包括：安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元，变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据接口通过导线与综合处理单元连接。

说明书

技术领域

本发明涉及消防领域，具体涉及一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防 车的控制系统。

背景技术

高度大于10层或者大于24米的建筑被称为高层建筑，高度大于100米的建 筑称之为超高层建筑，高层和超高层建筑火灾扑救一直是消防领域的难题。国内 外现有的消防装备由于灭火高度有限、机动部署困难、价格昂贵，难以满足高层 尤其是超高层建筑消防灭火的需求。

高层、超高层建筑火灾扑救一般采用举高消防车和云梯消防车，目前，世界 最高的消防车是芬兰的博浪涛消防车，包括：载车底盘、举升装置、电气系统。 该消防车举升高度为101米，分低、中、高区接力送水，送水高度最高仅160米 左右。该消防车工作展开状态宽约8米，车长17.13米，行车高度4米，总质 量60.2吨，在很多楼宇密集区域和街道稍窄的地方无法快速部署。另外，该消 防车进口价格高达2200万元，国内多数城市消防部门无法承受，目前只有北京、 上海、杭州等少数城市装备。

高层楼宇灭火系统是针对我国城市环境下高层、超高层建筑物消防灭火的严 峻形势研制的一种可在城市环境普通路面快速机动部署，具备高效率、大面积扑 灭或压制高层、超高层建筑火灾的特种消防灭火系统，其采用向火源目标投放灭 火弹的方式。灭火弹的投放精度决定着高层楼宇灭火系统整体灭火效率。现有的 灭火弹弹道解算方法并未使用精确的弹道解算方式，消防队员根据现场火情的目 测判断和实战经验实现，向特定区域“盲发”，存在命中精度不高的问题。在高 层、超高层建筑火灾扑救时，为了完成全天候近距离目标探测，部分消防车配置 有目标(火源)探测装置，由于该装置采用定焦摄像头作为瞄准镜，该装置存在 视场选择数目少、不能根据目标的大小调节放大比例、且不能完成红外和白光的 图像融合的缺点。

此外，在采用灭火弹方式进行火灾扑救的现有技术中，灭火弹一般采用中心 爆管的方式，喷洒灭火剂的同时会产生大量的杀伤破片，带有一定的破坏性，这 类灭火弹适用于森林、油罐等远离人口密集的区域，不适用于城市环境条件下高 层、超高层建筑灭火。

发明内容

本申请的发明人考虑到现有技术的上述情况而作出了本发明。本发明的主要 目的在于，提供一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车的控制系统，解决 现有消防装备灭火高度有限、机动部署困难、难以满足高层和超高层建筑火灾扑 救需求的问题。

根据本发明的实施例，提供了一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救消防车 的控制系统，包括：指控设备(2)、发控设备(3)、转塔控制装置(8)、光电探 测设备(9)，

其中，光电探测设备(9)包括：安装壳体、电源、变焦白光摄像头、红外 摄像头、激光测距机、综合处理单元，

变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体 连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导 线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电 接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元 连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据 接口通过导线与综合处理单元连接，

其中，综合处理单元包括综合调度模块、数据存储模块、变焦控制模块、数 据补偿模块，其中，在火灾扑救之前，光电探测设备(9)进行火源探测，包括 以下步骤：

利用变焦白光摄像头，将光电探测设备(9)瞄准作为目标的火源，其中， 利用转塔转动光电探测设备(9)，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中并显示 在显示屏上，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在显 示屏上居中，并完整显示；

数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率，读取在数据存储模块中 存储的光轴偏差量，进行数据补偿，其中，根据当前放大倍率下的光轴偏差量， 微调光电探测设备(9)的角度，使当前放大倍率下的白光光轴与基准光轴相符；

激光测距机连续多次进行激光测距，综合调度模块将多次测量的距离进行平 均，并将该平均值作为目标斜距，从而完成探测装置对目标的搜索和测量,并将 测距结果提供给发控设备(3)和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控制 装置(8)根据测距结果共同控制灭火弹的发射。

本发明的实施例具有以下主要优点：通过调节灭火弹发射俯仰角度和发射速 度，并结合上升段弹道数据进行射击诸元解算(灭火弹发射角度计算)扑救高层 和超高层建筑火灾，具有灭火高度高，精度高，成本低，反应时间短的优点，同 时采用通用汽车底盘，具有机动部署快的特点，适合在城市环境高层和超高层建 筑消防灭火使用，解决了现阶段不能根据目标的大小调节放大比例，且不能完成 红外和白光的图像融合的问题。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的驾驶室的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的设备舱的结构示意图；

图4是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的发控装置的结构示意图；

图5是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的抛射装置的结构示意图；

图6是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的灭火弹的结构示意图；

图7是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的伺服控制装置的结构示意图；

图8是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备的结构示意图；

图9是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备的综合处理单元的功能模块的示意图；

图10是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备的目标探测(位置探测)的工作流程图；

图11是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的灭火弹组装架及转塔系统的示意图；

图12是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备的工作流程图。

附图标记说明

1：载车底盘；2：指控设备；3：发控设备；4：设备舱；5：发射装置；6： 抛射装置；7：灭火弹；8：转塔控制装置；9：光电探测设备；

2-1：显控台；2-2：信息处理机；2-3：通信设备；3-1：发控执行组件； 3-2：灭火弹模拟器；

4-1：发电机组；4-2：供配电柜；4-3：伺服控制装置；

5-1：发射转塔；5-2：发射托架；5-3：模块组装架

7-1：尾翼减速段；7-2：挡药板；7-3：点火器；7-4：壳体；7-5：整流罩；

7-6：引信；7-7：活塞；7-8：燃烧室；7-9：灭火剂；7-10：主装药

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的具体实施方式。

图1是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的示意图。如图1所示，一种适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车，包括： 载车底盘1、设备舱4、发射装置5、抛射装置6、灭火弹7。

所述消防车的控制系统包括：指控(指挥控制)设备2、发控(发射控制) 设备3、转塔控制装置8、光电探测设备9。

其中，指控设备2、发控设备3置于载车底盘1的驾驶室的副驾驶位置；设 备舱4置于驾驶室后并用螺栓固定于载车底盘1上；发射装置5置于载车底盘1 上并用螺钉固定；抛射装置6置于发射装置5上并固定；灭火弹7置于抛射装置 6中；转塔控制装置8分布在载车底盘和发射装置上，用于完成车体调平和控制 发射装置动作；光电探测设备9置于发射装置5下方并用螺钉固定。

载车底盘1由通用改装底盘和副车架组成。其中副车架可以实现上装设备舱、 发射装置等其它相关产品与底盘的连接等功能，是灭火车上装设备实现通用化及 可移植的关键部件。

指控设备2包括显控台2-1、信息处理机2-2、通信设备2-3。其中，显控 台2-1可由金属板材制成，安装在副驾驶位置上，显控台2-1上可设置有发射保 险开关、显示器、操作按钮、指示灯、控制手柄、全景摄像机等，信息处理机 2-2与显控台2-1、通信设备2-3连接。通信设备2-3用于操作人员与火警(119) 指挥控制中心通信联系。信息处理机2-2包括综合管理控制模块、弹道解算模块 和通信模块等功能模块。

发控设备3由发控执行组件3-1和灭火弹模拟器3-2组成。其中，发控执行 组件3-1将控制指令切换并向发射装置5输出的控制设备，它接收来自信息处理 机的指令，并完成灭火弹的发射控制任务。灭火弹模拟器3-2可在灭火车训练阶 段使用，用来模拟灭火弹在位信号和灭火弹发射离架信号。

设备舱4内部由发电机组4-1、供配电柜4-2、伺服控制装置4-3等组成， 外部安装通信天线。发电机组可由柴油机、发电机、本体支架和蓄电池等组成， 供电总功率不小7.3kW。其中柴油机是发电机组的动力源，发电机为能量转换设 备，将柴油机输出的机械能转换为电能，蓄电池为发电机组提供直流控制电源， 使用时发电机组有单独油箱。供配电设备固定安装在设备舱右侧，主要完成对柴 油发电机组和市电的切换操作、电气参数的显示、配电及保护功能。

发射装置5由发射转塔5-1、发射托架5-2、模块组装架5-3组成。发射转 塔5-1的结构内部中心走电缆线。发射托架5-2用于支撑模块组装架，具有快速 装填模块组装架5-3和发射时的定向作用。该机构不但实现模块组装架5-3的锁 定和解锁，还可以与模块组装架5-3上的支脚配合完成初始射向的确定。

抛射装置6主要包括抛射筒、动力装置、平衡体等。抛射筒内部放置灭火弹、 动力装置和平衡体。抛射装置采用“有限空间”平衡发射技术，具有无烟、无光、 微声，无后坐力的特点。

灭火弹7包括：壳体7-4、引信7-6、点火器7-3、灭火剂7-9、主装药7-10、 尾翼减速段7-1、燃烧室7-8、挡药板7-2、活塞7-7、整流罩7-5。

壳体7-4、尾翼减速段7-1和活塞7-7可为轻质金属材料，壳体7-4为圆筒 状，尾翼减速段7-1置于壳体7-4底部并与壳体7-4用螺钉固定，挡药板7-2置 于尾翼减速段7-1上方，燃烧室7-8置于挡药板7-2上方并与挡药板7-2螺纹固 定，燃烧室7-8与壳体7-4用螺钉固定。活塞7-7置于燃烧室7-8上，活塞7-7 的外径与壳体7-4的内径相匹配，活塞7-7中心有通孔，点火器7-3置于活塞 7-7的通孔中并与燃烧室7-8螺纹固定，主装药7-10置于燃烧室7-8中。灭火 剂7-9置于活塞7-7上部的空腔中并充满整个空腔，整流罩7-5置于壳体7-4顶 部并与壳体7-4用销钉固定，整流罩7-5的表面有喷洒孔，引信7-6置于整流罩 7-5上并用螺钉固定。

灭火弹7工作时，引信7-6侦测到灭火弹离火源5～10米时，将点火信号传 递给点火器7-3，点火器7-3点燃燃烧室7-8中的主装药7-10，主装药7-10燃 烧产生高压，高压推动活塞7-7在壳体7-4中运动，挤压灭火剂7-9使得连接整 流罩7-5与壳体7-4之间的销钉被剪断，灭火剂7-9继续推动整流罩7-5向前运 动，整流罩7-5到壳体7-4前端制动，这时喷洒孔已经暴露在空气中，而此时活 塞7-7继续推动灭火剂7-9向前运动，灭火剂7-9从喷洒孔中喷洒出来，扑向火 源，起到灭火作用。在灭火弹7的飞行喷洒过程中，尾翼减速段7-1打开降落伞， 使灭火弹7减速，灭火弹7穿透玻璃幕墙，深入建筑物内实施灭火。

转塔控制装置8由转塔伺服设备和车体调平设备组成。转塔伺服设备包括控 制计算机、伺服控制组件、方位电机、俯仰电动缸、方位读出组件、俯仰读出组 件、方位伺服机构、回转轴承等部件，控制计算机安装有伺服控制模块，方位读 出组件及方位伺服机构都与回转轴承的外齿啮合。

车体调平设备选用伺服电动缸调平，四个伺服电动缸支撑腿分别安装在车厢 底盘副车架上，每个支撑腿的伺服电动缸各由一台电机驱动。调平设备可在无信 息处理机控制的情况下下手动撤收。调平设备由调平执行机构，调平控制组件， 水平测角组件，调平控制模块组成。其中四个功率驱动器和控制计算机集成在调 平控制机柜中，调平控制机柜安装在设备控制舱当中。水平测角组件选用倾角传 感器作为调平设备的水平度检测元件。水平传感器在灭火车的调平过程中反馈车 体的水平度，共有两个。一个水平传感器为主水平传感器，车体横向和纵向水平 度以该水平传感器读数为准，安装在底盘回转耳轴横梁上的安装面上；另一个水 平传感器为辅水平传感器，安装在前调平油缸横梁上，在调平过程中，反馈车头 方向的横向水平度，可避免灭火车在调平过程中出现车头倾斜现象。

图8是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备9的示意图。如图8所示，光电探测设备9包括：安装壳体、电 源、变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机、综合处理单元。图9是根据本 发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车的光电探测设备的 综合处理单元的功能模块的示意图。如图9所示，综合处理单元包括综合调度模 块、数据存储模块、功能自检模块、变焦控制模块、数据补偿模块、图像融合模 块、图像对比模块、以及角度解算模块。

采用变焦白光摄像头能够在搜索过程中根据火源的距离及大小调节焦距，可 以很准确的确定火源的位置。

变焦白光摄像头通过螺钉与安装壳体连接，红外摄像头通过螺钉与安装壳体 连接，激光测距机通过螺钉与安装壳体连接，变焦白光摄像头的供电接口通过导 线与电源连接，红外摄像头的供电接口通过导线与电源连接，激光测距机的供电 接口通过导线与电源连接，变焦白光摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元 连接，红外摄像头的数据接口通过导线与综合处理单元连接，激光测距机的数据 接口通过导线与综合处理单元连接。

下面，参照图10来说明光电探测设备9的目标探测的工作流程。

图10是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备9的目标探测(位置探测)的工作流程图。如图10所示，光电 探测设备进行目标探测(火源点瞄准)主要包括以下步骤：

第一步(可选)：白光光轴、红外光轴和激光光轴标校

光电探测设备9在使用之前可能需要进行白光光轴、红外光轴和激光光轴标 校(例如，在长时间未使用光电探测设备9的情况下，在当前基准光轴与上述三 个光轴不一致的情况下)，即，红外光轴、激光光轴和最大放大倍率下的白光光 轴的标校(一致性校准)，调节变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机的安 装轴线，使最大放大倍率下的白光光轴、红外光轴和激光光轴的光轴在安装壳体 基准面的±20″以内，此时认为上述三个光轴满足彼此一致性的要求。在调节完 毕之后，使变焦白光摄像头、红外摄像头、激光测距机的安装支架在安装壳体上 分别固定，其相互一致的光轴作为基准光轴。

第二步(可选)：白光变焦光轴偏差检测

光电探测设备9在使用之前可能需要进行白光变焦光轴偏差检测(例如，在 长时间未使用光电探测设备9的情况下)，即，依次从最低放大倍率到最高放大 倍率进行变焦调节，检测变焦白光摄像头在不同放大倍率下的白光光轴相对于最 大放大倍率下的白光光轴(基准光轴)的偏差量(例如，当前光轴在相对于基准 光轴的三个方向的偏差角度)，并将所述偏差量保存在数据存储模块中。

第三步：加电自检及端口配置(设备初始化)

光电探测设备9启动电源，给设备加电，变焦白光摄像头、红外摄像头、激 光测距机、综合处理单元同时加电。功能自检模块对变焦白光摄像头、红外摄像 头、激光测距机及综合处理模块进行自检与初始化，初始化完毕后进行端口通信 状态配置。

第四步：瞄准目标及变焦控制

利用变焦白光摄像头，将光电探测设备9瞄准目标(火源)。具体地，利用 转塔转动光电探测设备9，使目标出现在变焦白光摄像头的视野中(显示在系统 的显示屏上)，变焦控制模块控制变焦白光摄像头的放大倍率，将被瞄准目标在 显示屏上居中(目标测距图像中心点对准目标点)，并且，高度调整为显示屏上 的整个画面高度的3/4(也可为其它比例，只要其完整显示并满足清晰度要求即 可)。

第五步：光轴补偿

数据补偿模块根据变焦白光摄像头的当前放大倍率(瞄准和变焦控制后的放 大倍率)，读取数据存储模块中的光轴偏差量，进行数据补偿。即，根据当前放 大倍率下的光轴偏差量，微调光电探测设备9的角度，使当前放大倍率下的白光 光轴与基准光轴相符(即，目标测距图像数据补偿后的新的中心点对准目标点)。

第六步(可选)：图像融合

可选地，在通过红外摄像头取得目标图像(使目标出现在红外摄像头的视野 中)的情况下，综合调度模块读取变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像、 以及红外摄像头的图像，然后，图像融合模块进行图像融合处理。即，将红外摄 像头的图像放大或缩小至与变焦白光摄像头的瞄准及变焦控制后的图像相对应 的放大倍率(使目标大小在两个图像中一致并同时居中)、并通过图像剪裁的方 式使要融合的两个图像的横纵像素数一致，并将两个图像融合(可以通过各种方 法来实现，例如，同像素灰度求平均，等等)，得到融合后的图像。

第七步(可选)：图像对比选择

图像对比模块对白光摄像头的图像、红外摄像头的图像(在通过红外摄像头 取得目标图像的情况下，并进行相应放大或缩小)、或上述融合后的图像(在通 过红外摄像头取得目标图像的情况下)的清晰度进行对比(例如，图像锐度对比， 可利用通过图像滤波突出边缘的图像处理算法来实现，从图像位于各边缘的像素 所反映的梯度来判断图像的总体锐度)，确定选择目标测距所需要的图像。

第八步：激光测距

激光测距机连续多次(例如5次)进行激光测距，之后，综合调度模块可将 5次测量的距离去除最大值和最小值后，对处于中间值的3个数据进行平均，并 将该平均值作为目标斜距。从而完成探测装置对目标的搜索和测量。激光测距机 将测距结果提供给发控设备(3)和转塔控制装置(8)，发控设备(3)和转塔控 制装置(8)根据测距结果共同控制灭火弹的发射。

如图9所示，角度解算模块用于解算灭火弹的弹道解算角度。数据补偿模块 还用于记录弹轴偏差并进行数据补偿。

下面，参照图10来说明光电探测设备9的目标探测的灭火弹弹道解算的工 作流程。

图12是根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建筑火灾扑救的消防车 的光电探测设备的灭火弹弹道解算的工作流程图。具体地，在完成上述激光测距 之后，光电探测设备得到目标火源到灭火弹的斜线距离L，同时，转塔系统向综 合调度模块回传目标相对于转塔的俯仰角θ和方位角(例如，转塔中心的方位 角可取为0)，光电探测设备进行灭火弹弹道解算，求解灭火弹的发射角度信 息。

也就是说，解算模块根据目标斜距L和目标俯仰角θ、目标方位角求解 弹发射俯仰角ψ_f和发射方位角使弹在发射仰角为ψ_f、发射方位角(在 误差允许的情况下，发射方位角可取为转塔中心的方位角，例如0)时，能够命 中目标。

灭火弹弹道解算的具体步骤如下。

第一步(可选)：不同架位(以图11所示的24个架位为例)的灭火弹的位 置和轴线略有不同，标定出灭火弹组装架的各个架位与探测装置光轴的左右位置 偏差和上下位置偏差以及航向(方位)偏差角和俯仰偏差角，并将四个偏差数据 记录在数据补偿模块中。

第二步：角度解算模块根据目标的斜线距离、俯仰角求解得到目标火源相对 于灭火弹的高度信息和目标距离发射点的水平距离。求解公式如下：

h0＝L×sinθ

d＝L×cosθ

式中：θ为灭火弹组装架的俯仰角，L为灭火弹组装架到目标的斜线距离， h0为目标火源相对于灭火弹的高度信息，d为目标与发射点的水平距离。

第三步：角度解算模块求解得到灭火弹抛射角度。

角度解算模块依据的动力学和运动学方程如下：

动力学微分方程

$\stackrel{·}{u}-{\mathrm{v\omega }}_{z1}+{\mathrm{w\omega }}_{Y1}=(-\mathrm{mg}\sin \phi \cos \psi -C_{A}q{S}_M)/m---\left(1\right)$

$\stackrel{·}{v}+{\mathrm{u\omega }}_{z1}=[\mathrm{mg}(\sin \phi \sin \psi \sin \gamma -\cos \phi \cos \gamma )-C_{N}q{S}_M\cos {\phi }^{\prime }]/m---\left(2\right)$

$\stackrel{·}{w}-{\mathrm{u\omega }}_{Y1}=[\mathrm{mg}(\sin \phi \sin \psi \cos \gamma +\cos \phi \sin \gamma )-C_{N}q{S}_M\sin {\phi }^{\prime }]/m---\left(3\right)$

$J_{Y1}{\stackrel{·}{\omega }}_{Y1}=-C_{N}q{S}_M\Delta l\sin {\phi }^{\prime }+C_{\mathrm{ZY}1}q{S}_M{\mathrm{l\omega }}_{Y1}---\left(4\right)$

$J_{Z1}{\stackrel{·}{\omega }}_{Z1}=C_{N}q{S}_M\Delta l\cos {\phi }^{\prime }+C_{\mathrm{ZZ}1}q{S}_M{\mathrm{l\omega }}_{Z1}---\left(5\right)$

运动学微分方程

$\stackrel{·}{X}=u\cos \phi \cos \psi -v(\sin \phi \cos \gamma +\cos \phi \sin \psi \sin \gamma )+w(\sin \phi \sin \gamma -\cos \phi \sin \psi \cos \gamma )---\left(6\right)$

$\stackrel{·}{Y}=u\sin \phi \cos \psi +v(\cos \phi \cos \gamma -\sin \phi \sin \psi \sin \gamma )-w(\cos \phi \sin \gamma +\sin \phi \sin \psi \sin \gamma )---\left(7\right)$

$\stackrel{·}{Z}=u\sin \psi -v\cos \psi \sin \gamma +w\cos \psi \cos \gamma ---\left(8\right)$

$\stackrel{·}{\phi }=({\omega }_{Y1}\sin \gamma +{\omega }_{Z1}\cos \gamma )/\cos \psi ---\left(9\right)$

$\stackrel{·}{\psi }={\omega }_{Z1}\sin \gamma -{\omega }_{Y1}\cos \gamma ---\left(10\right)$

$\stackrel{·}{\gamma }=-\stackrel{·}{\phi }\sin \psi ---\left(11\right)$

利用上述运动学和动力学微分方程，计算某一时刻在力和力矩作用下，灭火 弹主要飞行参数的增量。在上述运动学和动力学微分方程中，其输入(已知量) 为某一时刻灭火弹的飞行参数，包括：速度、弹道倾角、弹道偏角、偏航角速度、 俯仰角速度、俯仰角、偏航角、滚转角及灭火弹在发射坐标系中的位置坐标X、 Y、Z。输出为此时刻上述11个参数的增量(dx/dt)。其主要输入输出参数如下 表所示。

另外，m为弹体质量，g为重力加速度，q为动压，CA为轴向力系数，SM为 参考面积，CN为法向力系数，为合成攻角，JY1为绕弹体Y轴的转动惯量， JZ1为绕弹体Z轴的转动惯量，CZY1＝CZZ1为阻尼力矩系数，l为全弹参考长度， Δl为质心到压心的长度。

以目标俯仰角θ和发射出筒速度(常量，例如160米/秒)、角速度初值(例 如，0)作为求解上述微分方程的初始条件，结合灭火弹的气动参数(常量，主 要为轴向力系数、法向力系数、压心系数、阻尼力矩系数随马赫数和攻角的变化)， 使用常微分方程的四阶龙格-库塔数值解法，对上述方程进行联合求解，推算得 到全弹道参数(即，弹道轨迹)，即u(t)、v(t)、w(t)、ω_Y1(t)、ω_Z1(t)、X(t)、Y(t)、 Z(t)、φ(t)、ψ(t)、γ(t)，其中，t是离散化的时间。在计算完某一弹道发射俯 仰角φ下的全弹道参数之后，计算在某一弹道发射俯仰角φ(初始值φ0＝θ)下 达到d的射高H。

|H_k-h0|≤0.01    (12)

φ_k+1＝φ_k+0.5(H_k-h0)θ   (13)

利用公式(12)判断H与目标高度h0的大小关系，如满足(12)式则停止迭代， 当前俯仰角φk即为发射角；如不满足(12)式，则用公式(13)更新发射俯仰角， 用所述动力学和运动学微分方程重新计算全弹道参数和射高H_k+1，其中k为当前 迭代步数，直到射高H_k与目标高度h0之差小于0.01m为止，此时的发射角φk 即为最终的灭火弹发射角。

也就是说，迭代的起始俯仰角φ0为目标俯仰角θ，之后通过比较目标X轴 向距离(即，水平距离d)处的弹道高度H与目标高度h0的关系，不断修正发 射俯仰角以最终获得能够命中目标的结果。

第四步(可选)：数据补偿模块进行误差补偿

全弹道参数是以探测装置为位置和方位基准计算而确定的，指控计算机通过 补偿来消除灭火弹由于弹位不同所带来的位置和角度四个偏差数据，从而确定某 个单位上的发射所需俯仰角。

至此，完成了高层楼宇灭火弹弹道解算，灭火弹即可根据解算出的发射角进 行发射。

最后，以实际应用为例，说明根据本发明的实施例的适用于高层和超高层建 筑火灾扑救的消防车的工作流程，其包括以下步骤：

第一步：人员就位，车辆启动出发。

1)接到火警后，驾驶员，操作员分别坐在正、副驾驶位置；

2)驾驶员启动灭火车，打开倒车影像设备，向火灾地点行驶；

3)操作员检查操作台，确保操作按钮都在初始位置。

第二步：发电机组启动，各设备加电自检

1)操作员转动“机组启动”钥匙至“START”位置待发电机组启动成功后 松开钥匙(钥匙自动返回“ON”位置)，工作稳定后“交流指示”灯亮；

2)操作员按压“总供电”按钮，发电机组电源输出；

3)操作员按压“设备供电”按钮，信息处理机首先加电进入系统并自检， 信息处理机正常后，自动依次给探测装置、伺服设备、调平设备加电；

4)操作员查看显示界面中“设备状态”栏，确认各设备加电自检状态都为 “绿色”。

第三步：选择工作模式，在合适地点停车

1)操作员在行车过程中，转动操作台“工作模式”旋钮，选择“消防”或 “训练”工作模式；

2)操作员根据现场火灾目标高度，驾驶员根据操作人员指令，观察倒车影 像，驾驶灭火车在火灾地点附近临时停车；

3)操作员查看“调平控制”栏状态，如果灭火车停车位置坡度超过±1° 时，“调平控制”栏指示灯“红绿”交替闪烁，驾驶员重新选择地点停 车，直至“调平控制”栏指示灯停止闪烁，“回收”指示灯为绿色；

4)驾驶员控制灭火车停车，驾驶员下车负责观察灭火车发射安全距离内情 况，并与操作员及时沟通。

第四步：调平展开，瞄准火灾目标

1)操作员转动操作台“调平控制”旋钮至“展开”位置，灭火车自动调平 展开，调平过程中“展开”指示灯闪烁，调平完成后，操作台“展开” 指示灯亮，显示界面“调平控制”栏“展开”灯变为“绿色”；

2)发射转塔调转解锁；

3)操作员控制操作台手柄，观察显示界面图像，切换到“成像模式”(显 示屏上显示白光摄像机的取景图像)，控制发射转塔调转，将显示界面 “+”对准火灾目标，此时“当前角度”栏显示发射转塔当前位置角度。

第五步：测量目标位置，射击诸元(即，发射角度)解算

1)可直接用激光测距机准确测量目标距离的情况下，操作员控制手柄上的 按钮测量火灾目标位置参数，“目标位置”栏显示目标“距离”和“高 度”数据；

2)无法直接用激光测距机准确测量目标距离的情况下(即，瞄A打B)，实 际火点为B点，由于B点无满足激光测距机精度要求时，采用瞄准B点 附近的A点进行测距，在根据A、B两点之间的位置变化，将A点距离 数据转换到B点距离数据，进而计算出B点的射击诸元数据。

3)指挥控制装置根据目标数据，自动解算射击诸元，同时判断解算结果是 否有效(方位角、俯仰角是否在限定范围内)，“发射角度”栏中显示有 效的解算结果。

第六步：发射模式选择，发射保险解锁

1)操作员选择操作台“发射模式”，“手动”或“自动”模式；

2)操作员转动操作台“发射保险”钥匙，至“解锁”位置，开始记录视频；

3)操作员与车外驾驶员保持联系，确认发射安全区域内无人员进入。

第七步：调转发射转塔，发射灭火弹

1)操作员选择“发射模式”为“自动”时，具备发射条件的“发射按钮” 指示灯亮，操作员按压欲发射灭火弹所对应的“发射按钮”，信息处理 机根据该灭火弹对应的解算结果，自动控制发射转塔调转至目标发射角 度，操作台“允许发射”指示灯亮，发射灭火弹；

2)操作员选择“发射模式”为“手动”时，“允许发射”指示灯先熄灭， 操作员首先控制操作台手柄将发射转塔调转至发射角度，即“当前角度” 栏数值与“发射角度”栏数值在一定误差范围内，此时“允许发射”指 示灯亮，具备发射条件的“发射按钮”指示灯亮，操作员按压“发射按 钮”，发射灭火弹。

第八步：灭火弹发射

1)发射控制设备给出点火时序信号；

2)点火时序信号通过模块线缆盒输送至发射筒点火器；

3)发射筒发射药点火，灭火弹一定的初速度发射出筒

第九步:延时火药自毁计时开始

1)延时火药在发射冲击过载的作用下开始自毁延时。延时时间到后，延时 火药控制灭火弹开伞和喷洒灭火剂同时动作，灭火弹自毁。

第十步：引信启动工作

高层建筑物火灾主要有三种情况室内火、外立面火、墙内火，本文重点考虑 扑救室内火，来说明引信的工作流程。

其中，第十步引信启动工作分为两个小步：

第10-1步、引信保险解除，功能启动

1)引信探测到接近目标

2)引信机械保险解锁

3)引信在发射冲击过载的作用下，机械保险惯性解锁，点火电路由短接状 态变为断开状态；

4)引信远解保险解锁

5)引信延时固定时间后，远解保险(电保险)解锁，引信处于待发状态；

6)引信自毁计时开始

7)引信电路工作，开始自毁延时，引信、延时火药与灭火弹主装药并联连 接，提高灭火弹自毁可靠性。延时时间到后，引信控制灭火弹开伞和喷 洒灭火剂同时动作，灭火弹自毁。

第10-2步：引信触发

引信或延时火药给出点火信号，灭火弹接收到点火信号后同时喷洒灭火剂， 打开降落伞减速。

引信的各项功能设置如下：

1)引信主要应用近炸触发功能；

2)引信碰炸功能作为近炸功能失效后的补充，确保灭火弹到达火灾区域后 及时喷洒灭火剂灭火；

3)引信自毁功能是在灭火弹偏离弹道不满足近炸、碰炸触发条件或近炸、 碰炸功能同时失效的情况下，定时强制给出点火信号，避免灭火弹携带 火工品自由落地，对人员及设备造成危害或在灭火弹上残留火工品，造 成回收危险。

第十一步：灭火弹动作

1)灭火弹减速伞在灭火弹进入室内前完成充气具备减速条件，灭火弹在进 入室内前减速伞不能对灭火弹弹道产生影响；

2)灭火弹进入室内后，减速伞拉灭火弹减速，使灭火弹撞击墙面后灭火弹 不解体，墙体不被穿透；

3)灭火弹在减速伞动作过程中持续喷洒灭火剂，减速伞在充气时间占和灭 火弹喷洒灭火剂总时间不大于30％。

第十二步：延时火药自毁触发

1)延时火药自毁功能与引信自毁功能相同，但两者独立安装，互不干扰。 目的是提高灭火弹在工作异常情况下的使用安全性。同时，也可用于灭 火弹进入室内引信失效后的补充灭火功能。

2)灭火弹发射后产生3000g过载，延时火药自动开始触发计时，延时火药 延时8s后，强制给出自毁点火信号。

延时火药自毁工作过程如下：

灭火弹发射后，延时火药自毁延时自动开始计时8s；

延时火药自毁延时计时时间到后，自动强制给出自毁点火信号；

灭火弹接收到点火信号后，同时触发有效载荷段和安全减速段工作，有效载 荷段喷洒灭火剂，安全减速段打开降落伞。

第十三步：系统撤收，设备断电

1)操作员转动操作台“发射保险”钥匙至“锁定”位置，“发射允许”灯 熄灭，停止记录视频；

2)操作员转动操作台“调平控制”旋钮至“回收”位置，系统开始撤收， 系统自动将发射转塔回平(方位角度为0°，俯仰角度为0°)，然后回 收四个调平支腿至初始位置，“回收”灯闪烁，到位后“回收”灯点亮；

3)操作员转动操作台“工作模式”旋钮至“训练”状态；

4)操作员按压操作台“设备供电”按钮，信息处理机首先关闭分系统设备 电源，然后关闭信息处理机电源；

5)操作员按压操作台“总供电”按钮，关闭系统供电电源；

6)操作员转动操作台“机组启动”钥匙至“OFF”位置，关闭发电机组，“交 流指示灯”熄灭；

第十四步：车辆返回熄火，人员下车

1)驾驶员上车至驾驶员位置，启动灭火车返回驻地；

2)驾驶员关闭倒车影像设备，关闭灭火车发动机；

3)驾驶员，操作员下车。