多功能消防水枪虚实融合训练系统研发.pdf

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%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。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、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 system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）W1103Fire 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 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.4Stress 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/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，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 4Comparison 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，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=-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30456075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=mHcA=QSA（11）A=D24（12）式中：Q 为油池火的热释放速率，kW；m为单位面积的质量燃烧速度，kg/（m2s）；Hc为燃烧热，kJ/kg；A 为油池的表面积；QS为单位面积的热释放速率。火源高度是虚拟场景中火源的重要特征。油池火火焰高度的模型是基于试验数据及量纲分析等得到的经验公式，选用应用较多的 Heskestad模型13，如式（13）所示。HD=-1.02+0.230Q2/5CD（13）2.4.2灭火反馈下的火灾热释放速率计算模型苏琳等14针对灭火剂灭火机理和燃料特性，假设火源热释放速率全局恒定，分析得出消防水、泡沫介入后总的热释放速率的变化趋势反馈模型的计算方法，进一步完善火灾发展的真实性。假设研究对象热释放速率恒定，灭火剂介入后总的热释放速率与时间的变化趋势可以表示为式（14）。t=lnQQ0-k=lnQQ0b-am w（14）其中：Q=Q0e-k(t-t0)k=am w-b式中：Q0为灭火开始前总的热释放速率，kW；t0为灭火开始时间；t为时间，s；k 为和燃料有关的常数，s-1；a 和 b 为与燃料类型和灭火剂类型有关的常数，需要根据试验确定，是灭火剂直接作用于燃料表面的有效流量除以油盘面积，即灭火有效强度。由式（14）得到灭火剂作用下热释放速率随时间的变化关系，基于实时的热释放速率，利用式（11）式（13），可得到火源直径和火焰高度，在虚拟场景中表征火源行为的实时变化。3多功能消防水枪虚实融合系统装备研发3.1多功能消防水枪模拟器的实现对实物移动式多功能消防水枪进行电气化改装，外形和结构以及使用方式与实装一致，实现实物自质量、手感真实再现，多功能消防水枪模拟器设计如图 6所示。多功能消防水枪模拟器具有总开关功能、初始速度开关功能、直流开花转换功能、位置定位功能和运动控制功能，通过控制中心进行信号的收发。具体功能分别如下：总开关控制水枪是否出水，远离操控者不出水，靠近操控者方向出水。通过 IMU 惯性测量单元（传感器）检测总开关握把的姿态来检测总开关的状态，同时可以检测到总开关把手的开合程度。初始速度开关可以调节速度，在水枪旋转口不同位置安装 3 个霍尔传感器，磁铁接近霍尔传感器时，可检测到实际位置。位置定位功能通过 HTC Vive Tracker 结合 HTC Vive 基站，实现多功能消防水枪模拟器在虚拟场景中位置和姿态的同步。运动控制功能通过 Xbox 360万向摇杆控制方向，可以实现虚拟场景中 360的运动。控制中心的功能是通过单片机实现的，单片机采集所有传感器的数据，通过无线模块发送至上位机。后坐力设计的目的是通过模拟器对操作者施加一定表 6仿真射高与实际射高对比Table 6Comparison of simulated shooting height and actual shooting height角度30456075仿真射高/m13.3221.2530.6340.72实际射高/m12.7421.5531.9541.73误差4.55%-1.39%-4.13%-2.42%表 7仿真射程与实际射程对比Table 7Comparison between simulated range and actual range角度30456075仿真射程/m67.2258.8148.9232.16实际射程/m64.6858.7650.6332.72误差3.93%0.09%-3.38%-1.71%内置电路板、传感器信号接收器电源开关总开关初始速度调节开关直流开花转换开关定位器图 6多功能消防水枪模拟器设计图Fig.6Design drawing of multi-functional fire water gun simulator的反作用力，模拟真实消防水枪使用中的反作用力。使用气压和电动机产生一定的反作用力，模拟真实消防水枪使用时的反作用力，具有较高的精度和可控性。软件业务主要通过串口协议接入多功能消防水枪半实物模拟器信息，对有效数据进行业务处理，采用 VR 设备和 Unity 3D 三维渲染引擎，对半实物模拟器进行姿态映射，半实物模拟器相应功能按键触发时，虚拟场景中相应实体进行对应业务展现，虚拟场景中水枪在进行直流、开花和喷雾效果展现以及灭火业务时，在三维引擎中调用轨迹算法与火势变化算法，多角度、多方式模拟水枪射水与灭火业务，实现多功能消防水枪业务功能的沉浸式考核训练。3.2多功能消防水枪技战术训练典型火灾场景利用该系统可在高低大化、油库等典型复杂演化连锁火灾场景中实现消防救援灭火技战术的训练和考核。多 功 能 消 防 水 枪 技 战 术 训 练 涉 及 的 典 型 火 灾 场 景见表 8。由表 8可以看出，针对不同火灾场景其灭火战术需求不同，使用水枪的具体操作也复杂多变，受训人员需根据火灾发生发展的场景变化，及时改变水枪喷射方式、强度、范围、方向等，实现最佳的战术调整和快速处置。系统可准确复现灭火剂流态、落点以及灭火过程中火源行为的变化，实现火灾、烟气以及移动性障碍物被水枪射流干扰或影响的真实效果，进而帮助受训者更好地解决实际复杂场景下的灭火救援难题，提升训练质量和效率。依托该虚实结合的模拟训练系统可以满足更多火灾场景的战术需求，进一步设计融合火灾场景，建立火灾场景训练数据库，让消防灭火救援人员针对不同火灾场景进行体验感知，实现立体、真实、全面、系统的模拟仿真灭火救援训练与考核。4结论与展望设计研发的多功能消防水枪虚实融合系统可全方位提高多功能水枪在训练不同典型火灾需求下的模拟训练效果，提升火灾事故处置模拟训练水平。（1）实现了训练人员与水枪模拟器的实体交互，研发多功能消防水枪虚实结合系统装备，建立消防水枪实体模拟器与虚实结合系统软件。（2）实现了训练人员与模拟系统的人机交互，利用HTC追踪器等消防水枪内置状态感应装置捕捉训练人员动作，建立消防水枪喷射、开花、泡沫的射流轨迹算法，可以对水枪模拟的高度、距离、喷射角度等关键参量进行误差 2%以下的精准复现。（3）实现了实体训练与模拟系统的虚实交互，根据训练人员在灭火过程中的表现，在虚拟场景中表征火源行为的实时变化，贴近实际灭火反馈下火灾发展的效果，有效提升模拟消防训练的真实性和训练效果。下一步，模拟训练虚实融合系统的开发将进一步从半实物模拟器延展，除了虚拟场景效果的反馈之外，需增加真实的物理反馈，如触觉、听觉等。训练场景方面，在单兵训练的基础上开发班组协同、多场景耦合的复杂场景训练，进一步提升真实火场的模拟训练效果。参考文献：1 利妮.消防水枪结构优化设计及灭火效能分析D.广州:华南理工大学,2016.2 朱畅.稳压型多功能消防水枪的研制和细水雾灭火试验D.杭州:浙江大学,2005.3 陈明辉.基于虚拟现实技术的消防训练系统的研究D.南昌:江西科技师范大学,2018.4 王云鹏.虚拟现实技术在消防战训工作中的应用探讨J.消防界(电子版),2016,13(9):32.5 王涛.虚拟现实技术在消防战训工作中的实施对策J.今日消防,2021,6(9):40-42.6 秦鹏宇.基于 Cortex的消防装备模拟训练系统的设计与实现J.今日消防,2022,7(5):19-21.7 陆承,靳学胜.基于 SteamVR 的交互仿真水枪灭火训练系统设计J.系统仿真学报,2022,34(6):1312-1319.8 王秋晨.基于仿真交互水枪的模拟消防训练系统的设计与实现D.济南:山东大学,2018.9 闵永林,陈晓阳,陈池,等.考虑俯仰角的消防水炮射流轨迹理论模型J.机械工程学报,2011,47(11):134-138.10 瞿洋.消防水炮射流轨迹和靶点不确定性研究D.上海:上海工程技术大学,2020.表 8多功能消防水枪技战术训练典型火灾场景Table 8Typical fire scenarios of multi-functional fire water gun technique and tactical training1106消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期的反作用力，模拟真实消防水枪使用中的反作用力。使用气压和电动机产生一定的反作用力，模拟真实消防水枪使用时的反作用力，具有较高的精度和可控性。软件业务主要通过串口协议接入多功能消防水枪半实物模拟器信息，对有效数据进行业务处理，采用 VR 设备和 Unity 3D 三维渲染引擎，对半实物模拟器进行姿态映射，半实物模拟器相应功能按键触发时，虚拟场景中相应实体进行对应业务展现，虚拟场景中水枪在进行直流、开花和喷雾效果展现以及灭火业务时，在三维引擎中调用轨迹算法与火势变化算法，多角度、多方式模拟水枪射水与灭火业务，实现多功能消防水枪业务功能的沉浸式考核训练。3.2多功能消防水枪技战术训练典型火灾场景利用该系统可在高低大化、油库等典型复杂演化连锁火灾场景中实现消防救援灭火技战术的训练和考核。多 功 能 消 防 水 枪 技 战 术 训 练 涉 及 的 典 型 火 灾 场 景见表 8。由表 8可以看出，针对不同火灾场景其灭火战术需求不同，使用水枪的具体操作也复杂多变，受训人员需根据火灾发生发展的场景变化，及时改变水枪喷射方式、强度、范围、方向等，实现最佳的战术调整和快速处置。系统可准确复现灭火剂流态、落点以及灭火过程中火源行为的变化，实现火灾、烟气以及移动性障碍物被水枪射流干扰或影响的真实效果，进而帮助受训者更好地解决实际复杂场景下的灭火救援难题，提升训练质量和效率。依托该虚实结合的模拟训练系统可以满足更多火灾场景的战术需求，进一步设计融合火灾场景，建立火灾场景训练数据库，让消防灭火救援人员针对不同火灾场景进行体验感知，实现立体、真实、全面、系统的模拟仿真灭火救援训练与考核。4结论与展望设计研发的多功能消防水枪虚实融合系统可全方位提高多功能水枪在训练不同典型火灾需求下的模拟训练效果，提升火灾事故处置模拟训练水平。（1）实现了训练人员与水枪模拟器的实体交互，研发多功能消防水枪虚实结合系统装备，建立消防水枪实体模拟器与虚实结合系统软件。（2）实现了训练人员与模拟系统的人机交互，利用HTC追踪器等消防水枪内置状态感应装置捕捉训练人员动作，建立消防水枪喷射、开花、泡沫的射流轨迹算法，可以对水枪模拟的高度、距离、喷射角度等关键参量进行误差 2%以下的精准复现。（3）实现了实体训练与模拟系统的虚实交互，根据训练人员在灭火过程中的表现，在虚拟场景中表征火源行为的实时变化，贴近实际灭火反馈下火灾发展的效果，有效提升模拟消防训练的真实性和训练效果。下一步，模拟训练虚实融合系统的开发将进一步从半实物模拟器延展，除了虚拟场景效果的反馈之外，需增加真实的物理反馈，如触觉、听觉等。训练场景方面，在单兵训练的基础上开发班组协同、多场景耦合的复杂场景训练，进一步提升真实火场的模拟训练效果。参考文献：1 利妮.消防水枪结构优化设计及灭火效能分析D.广州:华南理工大学,2016.2 朱畅.稳压型多功能消防水枪的研制和细水雾灭火试验D.杭州:浙江大学,2005.3 陈明辉.基于虚拟现实技术的消防训练系统的研究D.南昌:江西科技师范大学,2018.4 王云鹏.虚拟现实技术在消防战训工作中的应用探讨J.消防界(电子版),2016,13(9):32.5 王涛.虚拟现实技术在消防战训工作中的实施对策J.今日消防,2021,6(9):40-42.6 秦鹏宇.基于 Cortex的消防装备模拟训练系统的设计与实现J.今日消防,2022,7(5):19-21.7 陆承,靳学胜.基于 SteamVR 的交互仿真水枪灭火训练系统设计J.系统仿真学报,2022,34(6):1312-1319.8 王秋晨.基于仿真交互水枪的模拟消防训练系统的设计与实现D.济南:山东大学,2018.9 闵永林,陈晓阳,陈池,等.考虑俯仰角的消防水炮射流轨迹理论模型J.机械工程学报,2011,47(11):134-138.10 瞿洋.消防水炮射流轨迹和靶点不确定性研究D.上海:上海工程技术大学,2020.表 8多功能消防水枪技战术训练典型火灾场景Table 8Typical fire scenarios of multi-functional fire water gun technique and tactical training序号1234567火灾场景构建大空间高层建筑某层着火地下/高层建筑火灾建筑物、隧道火灾、地下建筑等化学品泄漏油罐火灾战术防止砸伤以及坠落开辟通道阻止火势蔓延强攻近战掩护掩护救人稀释气体冷却具体操作使用直流水探试楼板强度，一边射水探试，一边采取前虚后实探步方式前行直流水清扫地面杂物，开辟进攻和疏散通道利用门、通道转弯处做掩护，设置水枪阵地，阻止火势水平蔓延；依托防烟楼梯间设置水枪阵地，阻止火势垂直蔓延水枪阵地设置合理，梯次进攻水枪掩护到位；开花或喷雾水流实施梯次进攻；强攻时应有水枪掩护，进行梯次跟进交替掩护采用开花、喷雾水流掩护人员迅速撤离用喷雾水对泄漏气体尤其是低洼处的泄漏气进行稀释、驱散、降毒对浮顶罐密封圈处及以上部位的罐壁应重点冷却；冷却邻近罐时，主要对迎火面实施半面冷却1107消防设备研究Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8针对电化学储能的“浸默式”消防系统研究陈先斌1,王云霞2,尹飞2,李国强2（1.湖北省消防救援总队，湖北 武汉 430071；2.楚能新能源股份有限公司，湖北 武汉 430050）摘要：为保证电化学储能行业的安全发展，针对磷酸铁锂电池系统，提出一种“浸默式”电池消防系统解决方案。试验采用过充方式触发电池热失控，伴随明火燃烧，研究电池包在火灾场景下，“浸默式”消防系统的抑火效果。结果表明，针对磷酸铁锂电池热失控引发的消防安全事故，“浸默式”消防系统不仅能够快速灭火，还能有效抑制热蔓延，保证了磷酸铁锂电池系统的安全性。关键词：电化学储能；磷酸铁锂电池；消防系统；“浸默式”系统中图分类号：TU998.1；TM912 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1108-05储能电站作为近年来发展较快的新能源技术之一，可以有效满足电力系统的新能源大规模接入需求，拥有灵活调节的优势，其中，电化学储能电站比较常见1。随着储能电站项目的建设和应用，其火灾危险性也逐渐显现2。因此，储能电站应配备相应的灭火系统3。目前，市面上常规的消防系统解决方案是采用全氟己酮4或七氟丙烷作为灭火抑制剂5，在电池包出现火灾时通过喷洒全氟己酮或七氟丙烷来灭火和抑制。在密闭空间内，一定浓度的全氟己酮或七氟丙烷具有优良的降温、灭火效果。但是，全氟己酮的沸点为 49，喷到着火点时会立即汽化，而七氟丙烷常温下为气态，两者均易挥发，在给热失控电池包灭火和降温过程中，电池包内气体不断增多、压强增大，当超过电池包泄压阀的临界压力（一般为1530 kPa）时，大量灭火药剂会喷涌而出，当灭火药剂浓度降低时，就无法控制电池包内电芯的热蔓延，说明它们都无法阻止已经发生热失控电池的内部反应。换言之，传统气态抑制剂难以抑制热失控电池的热蔓延，电池包常常出现复燃现象6。本文研究了一种“浸默式”电池系统解决方案，不仅能有效灭火，还能有效解决电池的热蔓延问题7。系统的灭火介质采用的不是全氟己酮、七氟丙烷等传统灭火介质，而是一种新的液态灭火介质 YEC-1。YEC-1 的灭火原理与主流的灭火介质相同，主要从降温和隔绝氧气两方面进行灭火。而其优于全氟己酮的特点是成本低、易制备且能有效抑制电池内部反应、阻止电池防护单元的复燃。另外，YEC-1具备优异的防冷冻效果，可以根据不同低温需求做出调整，最低可耐-30 的低温，也为电化学储能消防系统在东北、西北地区等低温环境下的正常工作奠定了基础，说明它具有能在北方大部分地区适用的宽温度范围。YEC-1的优异防冻性是和液态水对比11 孙靖.定流量消防水炮射流流场数值模拟与轨迹研究D.秦皇岛:燕山大学,2018.12 杨光辉.石化安全虚拟现实平台的研究与实现D.青岛:中国海洋大学,2014.13 蔡昕,王喜世,李权威,等.低气压环境下正庚烷及汽油池火的燃烧特性J.燃烧科学与技术,2010,16(4):341-346.14 苏琳,王丽晶,张杰.压缩空气泡沫灭油盘火的灭火模型研究C/中国消防协会科学技术年会论文集(上),2012.Research and design of multifunctional fire gun virtualreal integration training systemXu Xiaoyuan1,2,3,Chen Hongguang1,2,3,Li Jingjing1,2,3,Zhu Hongya1,2,3(1.Tianjin Fire Science and Technology Research Institute of MEM,Tianjin 300381,China;2.Laboratory of Fire Protection;Technology for Industry and Public Building,Ministry of Emergency Management,Tianjin 300381,China;3.Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology,Tianjin 300381,China)Abstract:Based on technologies such as humanmachine interaction,virtual-real integration,precise fire extinguishing agent spray trajectory,and fire attenuation model,a multi functional fire water gun virtual-real integration system is developed and designed,which can achieve simulat