郝文睿，闞江明

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

消防水槍水射流落點(diǎn)影響因素分析

郝文睿1，闞江明*

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

消防水槍水射流落點(diǎn)受水槍工況參數(shù)和環(huán)境條件等多重因素影響，為了進(jìn)一步研究水射流的建模和控制問題，需要先對(duì)水射流的主要影響因素進(jìn)行分析。本文通過實(shí)驗(yàn)得到消防水槍的工況參數(shù)和外界環(huán)境影響因素共同作用下的水射流落點(diǎn)位置，利用理論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)水射流落點(diǎn)的影響因素進(jìn)行研究。首先通過理論分析說明了水槍工況參數(shù)對(duì)水射流的影響，然后利用相關(guān)性分析對(duì)外界環(huán)境影響因素進(jìn)行篩選，最終選定壓力、流量、高度、俯仰角度、水平角度和風(fēng)的影響為水射流落點(diǎn)的主要影響因素。利用方差分析研究高度、壓力、水平角度和俯仰角度對(duì)水射流落點(diǎn)的影響。結(jié)果表明水平角度和俯仰角度分別為對(duì)落點(diǎn)坐標(biāo)在橫向和縱向影響最大的因素。本文為以后水射流模型建立過程中變量的選取及定點(diǎn)滅火中水槍參數(shù)的控制提供依據(jù)。

水射流落點(diǎn)；統(tǒng)計(jì)學(xué)分析；影響因素

0 引言

火災(zāi)有蔓延速度快，破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，特別是在撲救過程中會(huì)對(duì)消防人員的生命安全產(chǎn)生巨大威脅。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制下的定點(diǎn)滅火對(duì)于提高滅火過程中高效性和準(zhǔn)確性的要求、保障消防人員生命安全有重要意義[2-4]。為了實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)滅火中將水射流準(zhǔn)確打擊火源點(diǎn)的要求，水射流的研究分析在定點(diǎn)滅火消防設(shè)備研發(fā)中尤為關(guān)鍵。目前，已有一些研究人員對(duì)水射流開展的相關(guān)研究。如，基于理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)消防炮的射程及影響因素進(jìn)行的研究[5]；利用基于計(jì)算機(jī)的圖像處理方法對(duì)水射流識(shí)別的研究[6-8]；基于運(yùn)動(dòng)方程方法建立水射流微元的微分運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)一步對(duì)射流特性及軌跡進(jìn)行的研究[9-12]；還有一些研究基于水射流的軌跡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維平面內(nèi)對(duì)射流識(shí)別及軌跡的研究，實(shí)驗(yàn)條件中各影響因素水平數(shù)有限，對(duì)于各因素對(duì)射流造成的影響缺乏深入分析。鑒于此，本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各因素對(duì)水射流落點(diǎn)的影響進(jìn)行了較為全面的分析。

本文通過自然環(huán)境下的室外實(shí)驗(yàn)采集得到水射流在不同壓力、俯仰角度、水平角度和高度條件下的落點(diǎn)坐標(biāo)。首先對(duì)水槍工況參數(shù)對(duì)水射流的影響進(jìn)行理論分析。然后通過相關(guān)性分析外界環(huán)境參數(shù)與對(duì)水射流落點(diǎn)間的密切程度，篩選出水射流落點(diǎn)的主要影響因素。最后，通過對(duì)控制因素和水射流落點(diǎn)坐標(biāo)之間的方差分析確定出在兩個(gè)方向上對(duì)其落點(diǎn)坐標(biāo)影響最大的因素。通過上述一系列分析為后續(xù)水射流的建模及控制奠定基礎(chǔ)。

1 水射流落點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了尋找水射流影響因素與其落點(diǎn)間的關(guān)系，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，通過改變各影響因素變量值來采集不同條件下數(shù)據(jù)。本研究中以某消防設(shè)備公司生產(chǎn)的LH400CUV型消防車車載滅火裝置作為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上配置流量傳感器、壓力傳感器、云臺(tái)、升降臺(tái)、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器及用于數(shù)據(jù)處理的PC端等實(shí)驗(yàn)器材構(gòu)建成完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of experiment system

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文中影響因素的選取主要考慮工況參數(shù)和環(huán)境兩個(gè)方面，其中工況參數(shù)影響因素包括：水槍高度h、水平角度α、俯仰角度β、壓力p和流量q，環(huán)境因素包括相對(duì)濕度RH、溫度T、風(fēng)速v和風(fēng)向φ，總共9個(gè)影響因素。實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)定義為：云臺(tái)水平角度和俯仰角度均設(shè)置為0°，并利用方位測量設(shè)備測量出該狀態(tài)下水槍指向的方位角γ作為基準(zhǔn)方位，此時(shí)出水口和地面間距離記為高度h。為方便記錄落點(diǎn)位置，研究中設(shè)定一個(gè)平面坐標(biāo)系：以水槍水平時(shí)出水口在地面上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)O，水槍相對(duì)水平角度為0°(即云臺(tái)水平角度為0°)時(shí)水槍所指方向?yàn)閥正向，y正向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為x正向。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)，將水射流的落點(diǎn)位置分解成x方向和y方向，即每個(gè)落點(diǎn)P對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)(，)。本文實(shí)驗(yàn)中取在各控制變量達(dá)到設(shè)定值時(shí)對(duì)應(yīng)條件下水射流穩(wěn)定散落的最密集處即水流落地區(qū)域的中心點(diǎn)為水射流落點(diǎn)，根據(jù)落點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)所定義的坐標(biāo)系中的位置記錄落點(diǎn)坐標(biāo)值為(x0，y0)。

實(shí)驗(yàn)為4因素(4因素是指實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行控制的四個(gè)因素，即“水槍高度、俯仰角度、水平角度、和壓力”)完全實(shí)驗(yàn)，通過改變水射流影響因素中的水槍高度、俯仰角度、水平角度和壓力來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)中改變其中一個(gè)變量的值，其他變量保持不變。根據(jù)消防水槍典型工作壓力和本實(shí)驗(yàn)所用汽油泵的出口壓力選定了壓力變量的水平值。結(jié)合消防水槍的實(shí)際用途及云臺(tái)、升降臺(tái)等設(shè)備的可調(diào)節(jié)范圍，設(shè)計(jì)了相關(guān)變量的變化水平。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平Tab.1 Experimental factor levels

實(shí)驗(yàn)變量取值見表1，其余影響因素變量不進(jìn)行人為控制。本研究采用完全實(shí)驗(yàn)，由表1中各變量水平個(gè)數(shù)相乘可知實(shí)驗(yàn)共采集到480組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)都包含11個(gè)值，即9個(gè)影響因素的值(h，α，β，pkq，T，RH，v，φ)和2個(gè)落點(diǎn)坐標(biāo)值(x0,y0)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過水射流落點(diǎn)實(shí)驗(yàn)采集到了480組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中又包含多個(gè)影響因素?cái)?shù)值，數(shù)據(jù)量相對(duì)較大。面對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)想要利用影響因素來研究水射流建模與控制，就必須選取出適當(dāng)?shù)乃淞饔绊懸蛩?。因此，需要?duì)影響水射流主要因素進(jìn)行分析，在采集得到的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)水射流影響因素與其落點(diǎn)坐標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行討論。

2.1 水射流的影響因素

水槍水射流落點(diǎn)的影響因素有很多，主要分為以下3類[7]：工況參數(shù)，主要包括水射流的初始速度、初始俯仰角度和高度，在噴嘴面積不變的情況下射流初始速度主要由壓力決定；設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，消防設(shè)備內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)及水槍噴嘴設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)射流形態(tài)及射程產(chǎn)生影響；外界影響因素，比如風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境影響因素。

已有很多學(xué)者針對(duì)消防設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水槍水射流的噴射距離及滅火效果產(chǎn)生的影響進(jìn)行了相關(guān)的研究[13]，如針對(duì)消防炮炮座流道、噴嘴結(jié)構(gòu)和供水管道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化等。但由于消防設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多且關(guān)系復(fù)雜，所以這些因素對(duì)于水射流造成的影響難以進(jìn)行量化分析。由于本文中的實(shí)驗(yàn)基于森林消防車產(chǎn)品配備的滅火裝置進(jìn)行，對(duì)于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響在此不作分析，僅對(duì)工況參數(shù)和外界影響兩個(gè)方面的水射流影響因素進(jìn)行研究。本文實(shí)驗(yàn)中將工況參數(shù)作為可控變量，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)定各變量的水平，人為的調(diào)節(jié)其大??；外界影響因素為不可控變量，即實(shí)驗(yàn)過程中不控制其變量水平但會(huì)通過傳感器對(duì)其數(shù)值進(jìn)行采集。下面將對(duì)影響較為直觀的工況參數(shù)影響因素進(jìn)行說明，對(duì)于外界影響因素會(huì)在之后小節(jié)中通過數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1.1 消防水槍工況因素分析

這里提到的工況參數(shù)是指消防水槍在工作時(shí)可控制的工作狀態(tài)參數(shù)，下面對(duì)各參數(shù)對(duì)水射流產(chǎn)生的影響分別進(jìn)行說明：

(1)壓力：壓力是水射流射程重要的影響因素，在正常工作壓力范圍內(nèi)提高噴射壓力可以明顯提高射程[5]。孫健在其研究中分析發(fā)現(xiàn)射流壓力變大時(shí)，初始能量隨之變大，則射程也相應(yīng)增大；但當(dāng)壓力增大到一定程度后，射流截面積增大引起的空氣阻力增大成為主要影響因素，射流的射程會(huì)隨壓力增大而減小[9]。

(2)流量：增大流量能夠使射流充實(shí)核心區(qū)域長度增加。壓力不變時(shí)增加流量需要通過將噴嘴面積變大的方法實(shí)現(xiàn)。本文實(shí)驗(yàn)中水槍的噴嘴固定，所以只將壓力設(shè)為控制變量，流量隨壓力的增大而增大。

(3)高度：水槍高度對(duì)射流下落的高度和時(shí)間有影響。在其他參數(shù)不變的條件下，增加水槍高度可以增加水射流的射程，從而在一定程度上擴(kuò)大水射流覆蓋范圍。

(4)俯仰角度：俯仰角度在一定范圍內(nèi)，水射流射程會(huì)隨其增加而增加。到達(dá)某一角度后射程隨角度增加而減小。有研究認(rèn)為射程最遠(yuǎn)對(duì)應(yīng)的角度為30°，也有仿真實(shí)驗(yàn)顯示為40°[9]，這一角度值沒有明確定論。廖小東等人在基于Matlab的消防炮射流軌跡研究中也對(duì)俯仰角度的影響進(jìn)行了模擬分析，其結(jié)果顯示當(dāng)俯仰角度超過60°后由于風(fēng)的影響，仿真結(jié)果與實(shí)際偏離較大，作者建議將風(fēng)速等影響因素考慮在內(nèi)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化[15]。

(5)水平角度：一般對(duì)消防設(shè)備射流的研究選擇固定水平角度，實(shí)際應(yīng)用中加入水平角度調(diào)整可使水流覆蓋范圍擴(kuò)大。水平角度變化范圍較小時(shí)，角度和落點(diǎn)橫坐標(biāo)之間呈線性關(guān)系，改變水槍水平角度可快速調(diào)整射流落點(diǎn)橫向偏移。

2.1.2 環(huán)境影響因素分析

工況參數(shù)對(duì)于水射流落點(diǎn)的影響較為直接，在此不再贅述。本文這一部分主要利用SPSS軟件對(duì)外界環(huán)境影響因素對(duì)于水射流落點(diǎn)的影響進(jìn)行分析。

研究中常用到計(jì)算相關(guān)系數(shù)的方法得出影響因素與因變量之間密切程度，選擇相關(guān)系數(shù)較高的影響因素作為建立模型的輸入變量。在存在多個(gè)影響因素的分析中，由于變量間關(guān)系復(fù)雜且因變量受多個(gè)因素影響，可以采用計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)的方法來研究變量間相關(guān)關(guān)系。偏相關(guān)分析是在控制其他可能對(duì)其產(chǎn)生影響的變量的條件下研究多因素構(gòu)成系統(tǒng)中兩個(gè)變量因素間的相關(guān)密切程度，這時(shí)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)為偏相關(guān)系數(shù)。

(1)溫度、濕度：本文中通過實(shí)驗(yàn)得到的落點(diǎn)坐標(biāo)是多個(gè)變量共同影響下得到的數(shù)據(jù)。為了分析溫濕度為落點(diǎn)坐標(biāo)帶來的影響，這里用SPSS軟件對(duì)溫度和濕度與水射流落點(diǎn)x、y分別進(jìn)行偏相關(guān)分析。將除了計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)的兩變量以外所有變量設(shè)為控制變量，得到的偏相關(guān)分析結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，溫度、相對(duì)濕度和落點(diǎn)坐標(biāo)間計(jì)算得到的偏相關(guān)系數(shù)都很小，且各偏相關(guān)分析雙側(cè)檢測的相伴概率均大于給定的顯著性水平0.05，這說明溫濕度與落點(diǎn)坐標(biāo)間不存在顯著的相關(guān)性。由于溫度和濕度在實(shí)驗(yàn)期間變化不大且通過數(shù)據(jù)分析觀察不到其對(duì)水射流落點(diǎn)的影響，因此，在對(duì)水射流進(jìn)行分析時(shí)，將溫度和濕度這兩個(gè)變量排除在主要影響因素以外。

表2 溫濕度與落點(diǎn)坐標(biāo)的偏相關(guān)分析Tab.2 Partial correlation analysis of temperature and humidity factors and landing point coordinates

注：顯著性水平0.05

(2)風(fēng)速、風(fēng)向：從直觀感知可以知道風(fēng)對(duì)水射流有較大的影響。孫健在其研究中將風(fēng)的影響引入建立的射流模型[9]。他首先根據(jù)伯努利方程確定了風(fēng)速和風(fēng)壓的關(guān)系，再將風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系代入仿真模塊并且將風(fēng)壓與射流截面積的乘積作為風(fēng)的阻力代入空氣阻力模塊。但是其研究中只對(duì)風(fēng)從正面或背面吹來這兩個(gè)方向進(jìn)行了仿真，風(fēng)從側(cè)面吹來的情況則無法分析。

本研究中沒有對(duì)風(fēng)的方向進(jìn)行限定，因?yàn)轱L(fēng)的方向不確定所以對(duì)于風(fēng)作用于射流的影響不能直接利用風(fēng)的阻力方程進(jìn)行分析。由于本研究中是以水射流的落點(diǎn)位置為研究對(duì)象，所以為了分析風(fēng)的因素對(duì)水射流落點(diǎn)位置的影響，需要將風(fēng)速和風(fēng)向綜合起來考慮。

本研究實(shí)驗(yàn)中風(fēng)向傳感器采集到的0～5 V電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的是以正北為基準(zhǔn)0°方向的0°～360°風(fēng)向方位角φ，而這里實(shí)驗(yàn)中水槍初始狀態(tài)的方位角不是指向正北，因此，計(jì)算時(shí)不可直接使用傳感器測量得到的風(fēng)向角度的數(shù)據(jù)。需要對(duì)傳感器測得的風(fēng)向角度數(shù)據(jù)進(jìn)行一些變換再結(jié)合風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)而來綜合分析風(fēng)對(duì)水射流落點(diǎn)的影響。

氣象學(xué)上將風(fēng)吹來的方向定義為風(fēng)向，風(fēng)向傳感器測得的角度即為風(fēng)吹來方向的方位角。風(fēng)向角度測量基準(zhǔn)與水槍基準(zhǔn)方位角不重合時(shí)，單獨(dú)測量風(fēng)向角度沒有意義。要考慮風(fēng)向的影響就要知道風(fēng)吹向的方向和水槍基準(zhǔn)方向間的夾角。因此，引入了角度θ，定義為風(fēng)吹向的方向和水槍基準(zhǔn)方向間的夾角，如圖2所示，γ為水槍基準(zhǔn)方位角，φ為風(fēng)吹來的方位角，則φ-180°為風(fēng)吹向的方向的角度，其定義式如下所示：

θ=φ-180-γ。

(1)

圖2 風(fēng)向與水槍基準(zhǔn)方向角度示意圖Fig.2 Wind direction and reference angle of fire-fighting lance diagram

風(fēng)和水射流存在于三維空間中，水射流在不同的位置有不同的射流截面積，所以風(fēng)對(duì)射流產(chǎn)生的影響是相對(duì)復(fù)雜的。為了便于分析，本文只從宏觀角度上考慮風(fēng)對(duì)水射流帶來的影響，認(rèn)為風(fēng)對(duì)其落點(diǎn)的影響由風(fēng)速v和角度θ決定。將風(fēng)的影響因素分解到本文所定義的坐標(biāo)系的兩個(gè)方向上，并可以得到風(fēng)在兩個(gè)方向上的影響因子變量，其定義式為：

(2)

為了驗(yàn)證提出的風(fēng)在x和y兩方向上影響因素變量對(duì)于落點(diǎn)的影響，這里分別對(duì)和windx、windy和y兩組變量進(jìn)行了偏相關(guān)分析，通過SPSS對(duì)兩組變量進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)影響因素與落點(diǎn)坐標(biāo)的偏相關(guān)分析Tab.3 Partial correlation analysis of wind factors and landing point coordinates

注：0.000表示趨近于0的正數(shù)，*表示具有顯著性

從表3中可以看到在控制其他變量的條件下windx和x關(guān)系密切，兩變量之間的偏相關(guān)系數(shù)為0.372，雙側(cè)檢測的相關(guān)概率為0.000(表示趨近與0的正數(shù))，明顯小于顯著性水平0.05，說明這里提出的將風(fēng)速風(fēng)向綜合起來的影響因子windx與落點(diǎn)坐標(biāo)x之間存在顯著相關(guān)性。檢驗(yàn)結(jié)果說明對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向影響因素進(jìn)行這樣的變換處理是可行的。但是從分析結(jié)果中看到windy和y之間的相關(guān)性不顯著。實(shí)驗(yàn)中水平角度變量根據(jù)實(shí)際滅火需求和實(shí)驗(yàn)場地的限制取了-15°、0°和15°三個(gè)水平，水平偏轉(zhuǎn)角度較小，即水流噴射方向基本朝向y正向，y方向上的速度分量占水射流出口速度的絕大部分。本研究中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的風(fēng)力基本在2級(jí)左右，測得的大多數(shù)風(fēng)速數(shù)據(jù)在2 m/s以下。因此，y方向上的風(fēng)速與該方向上射流速度相比是非常小的數(shù)值。這樣的數(shù)據(jù)采集條件下，風(fēng)對(duì)水射流橫向偏移的影響作用更容易通過數(shù)據(jù)體現(xiàn)出來。而y方向上落點(diǎn)受該方向上風(fēng)的影響因素分量windy作用而產(chǎn)生的偏移量從數(shù)據(jù)上不能很好的被觀察到。但是不能否定風(fēng)會(huì)對(duì)y方向落點(diǎn)坐標(biāo)產(chǎn)生影響，因此仍將windy作為水射流的影響因素變量。

2.2 模型控制變量方差分析

實(shí)驗(yàn)中水射流的落點(diǎn)坐標(biāo)在多個(gè)影響因素共同作用下得到。在控制消防設(shè)備進(jìn)行定點(diǎn)滅火時(shí)改變哪個(gè)影響因素能夠快速移動(dòng)水射流落點(diǎn)位置從而最快達(dá)到效果同樣是十分關(guān)鍵的問題。因此，需要通過方差分析來研究各因素對(duì)落點(diǎn)坐標(biāo)產(chǎn)生的影響。

方差分析常用于分析控制變量對(duì)觀測變量的顯著性影響情況，其基本原理是將總變異的平方和與自由度分解為不同變異來源的相應(yīng)部分，通過分析總變異中不同來源的變異對(duì)其貢獻(xiàn)的大小來確定各個(gè)因素對(duì)結(jié)果影響的大小。多因素方差分析用于研究因變量在兩個(gè)及兩個(gè)以上控制變量的影響下是否產(chǎn)生顯著性差異。多因素方差分析不僅可以分析多因素中每個(gè)因素對(duì)因變量產(chǎn)生的影響，還能夠?qū)Χ鄠€(gè)因素之間的交互作用帶來的影響進(jìn)行分析。

進(jìn)行方差分析的前提條件是控制變量各個(gè)水平下的樣本來自正態(tài)總體和各個(gè)水平間的樣本方差相等(即各組方差具有齊性)。其中正態(tài)分布的要求不是非常嚴(yán)格，但對(duì)于方差齊性要求較為嚴(yán)格，因此進(jìn)行方差分析時(shí)需要對(duì)方差是否滿足齊性要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

分析各因素的影響時(shí)，將落點(diǎn)坐標(biāo)x和y作為觀測變量，將水槍高度、俯仰角度、水平角度和壓力作為控制變量。除了各個(gè)控制變量的主效應(yīng)外，另外還將高度、水平角度與俯仰角度三個(gè)控制變量兩兩之間的交互項(xiàng)選入方差分析模型中，方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果及多因素方差分析結(jié)果分別見表4和表5。

表4 誤差方差等同性Leneve檢驗(yàn)Tab.4 Results of homogeneity test for error variance

表4給出了兩個(gè)因變量在各個(gè)因素水平下的Levene檢驗(yàn)結(jié)果，即方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果。檢驗(yàn)的零假設(shè)為：在所有組中因變量的誤差方差均相等。因變量為x時(shí)的相伴概率為0.219，因變量為y時(shí)相伴概率為0.097，顯著性檢驗(yàn)相伴概率均大于0.05，因此可以認(rèn)為在0.05的顯著性水平上各個(gè)組總體方差無顯著差異的，滿足方差齊性條件。

表5是多因素方差分析各因素檢驗(yàn)的輸出結(jié)果。兩個(gè)因變量的方差分析模型的F統(tǒng)計(jì)量分別為148.961和75.215，概率水平均為0.000(表示趨近于0的正數(shù))，可知建立的方差分析模型是顯著的。從各項(xiàng)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果來看，各個(gè)控制變量單獨(dú)作用時(shí)的相伴概率均小于0.05，說明其均對(duì)兩個(gè)方向上的落點(diǎn)有顯著影響。模型總的離差平方和分為三個(gè)部分：多個(gè)控制變量對(duì)觀測變量的單獨(dú)作用、控制變量間的交互作用和其他隨機(jī)因素帶來的影響。從表5中可以看到，各個(gè)控制變量單獨(dú)作用下貢獻(xiàn)的離差平方與均方。其中，水平角度因素對(duì)因變量x貢獻(xiàn)離差平方和為1 217.846，均方為608.923，在各個(gè)控制因素中比重最大，這說明水平角度對(duì)落點(diǎn)坐標(biāo)x影響最大。因變量為y時(shí)，俯仰角度貢獻(xiàn)離差平方和為1 033.079，均方為114.787，在各因素中最大，即對(duì)落點(diǎn)坐標(biāo)影響最大的控制變量為俯仰角度。表格下方還給出了因變量為x時(shí)的R2為0.962，調(diào)整R2為0.956，說明x的變異能被控制變量及給出交互效應(yīng)解釋的部分有95.6%；因變量為y時(shí)的R2為0.928，調(diào)整R2為0.916，表明落點(diǎn)坐標(biāo)y的變異能被解釋的部分占91.6%。由此，落點(diǎn)坐標(biāo)的變異大部分都能被選擇的控制變量所解釋。

表5 多因素方差分析結(jié)果表Tab.5 Results of multi-factor variance analysis

注：1.R2=0.962(調(diào)整R2=0.956)；2.R2=0.928(調(diào)整R2=0.916)

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)改變水槍工況參數(shù)采集到工況參數(shù)和外界環(huán)境影響因素共同作用下的水射流落點(diǎn)坐標(biāo)。首先結(jié)合相關(guān)水射流研究，討論分析了消防水槍工況參數(shù)對(duì)水射流的影響問題。然后基于采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過計(jì)算各外界環(huán)境影響因素和落點(diǎn)坐標(biāo)之間的相關(guān)性，篩選出相關(guān)性高的影響因素，最終選定水槍高度h、水平角度α、俯仰角度β、壓力p、流量q、風(fēng)的影響指標(biāo)windx和windy作為水射流落點(diǎn)主要影響因素。通過方差分析的方法對(duì)水槍高度、水平角度、俯仰角度和壓力4個(gè)控制變量對(duì)落點(diǎn)坐標(biāo)的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明這些變量可以解釋90%以上的兩個(gè)方向上落點(diǎn)坐標(biāo)的方差變異，落點(diǎn)坐標(biāo)在x方向和y方向上最顯著的影響因素分別為水平角度和俯仰角度，為后續(xù)水槍姿態(tài)的調(diào)節(jié)提供了參考依據(jù)。

[1] 馬巖，張明松，楊春梅，等.森林火災(zāi)的危害及重要滅火手段的分析[J].森林工程，2013，29(6)，25-27.

[2] 劉申友，袁宏永，蘇國鋒，等.定點(diǎn)滅火智能消防水炮[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，11(2)，38-41.

[3] 馬勇健，馬大和.遠(yuǎn)程輸水管線系統(tǒng)在森林消防中的應(yīng)用[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(11)；43-45.

[4] 馬勇健，馬大和.提高我國森林消防裝備使用效益的探討[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(4)；7-9.

[5] 史興堂.消防炮射程及影響因素研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2001.

[6] 陳靜，趙敏.消防水炮射流軌跡圖像的分割與識(shí)別算法研究[J].電子科技，2010，23(3)，43-45.

[7] 楊杰，趙敏，蘇浩，等.基于粒子群矢量搜索融合的射流軌跡識(shí)別方法[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2016：30(5)，803-808.

[8] 孫維祿，趙敏.彩色圖像中射流軌跡提取算法的研究[J].電子科技，2011，24(3)：27-30.

[9] 孫健.消防炮水射流軌跡的研究[D].上海：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2009.

[10] 萬峰，陳曉陽，閔永林，等.消防炮水射流軌跡擬合方程[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2007，26(6)：657.

[11] 閔永林，陳曉陽，陳池，等.考慮俯仰角的消防水炮射流軌跡理論模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(11)：135-138.

[12] 萬峰，陳曉陽，閔永林，等.基于相似理論的消防炮射流軌跡模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].2008，14(6)：630-632.

[13] Min Y L，Chen X Y，Chen C，et al.Simulation of closed-loop control of the landing position of the waterJet out from water fire monitors[C].Advanced Materials Research，2010：1902-1905.

[14] 王紅霞，廖振方，陳德淑.改進(jìn)消防水槍性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2004，23(2)：159-161.

[15] 廖小東，劉平安，程雯玉.基于MATLAB的消防炮射流軌跡研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2014，33(10)：1169-1171.

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

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(TD2013-4)；北京市共建項(xiàng)目專項(xiàng)資助(2013)。

郝文睿，碩士研究生。研究方向：森林工程裝備及其自動(dòng)化。

闞江明，博士，教授。研究方向：森林工程裝備及其自動(dòng)化。E-mail：kanjm@bjfu.edu.cn

郝文睿，闞江明.消防水槍水射流落點(diǎn)影響因素分析[J].森林工程，2017，33(5)：50-55.