随着经济的快速发展，大空间建筑逐渐增多，在抑制大空间建筑初期火灾方面，智能消防水炮的发展具有十分重要的意义。本文通过介绍智能消防水炮在国内开发中常见的一些功能，如探测火源功能、火源定位功能、远距离高效灭火功能等，分析现有智能水炮的应用技术，结合智能水炮在国内大空间建筑中的一些应用实例，总结智能水炮的应用技术，展望其发展前景和技术趋势。
随着大空间建筑的不断增多，科学地进行此类特殊建筑的自动灭火系统设计，对于有效抑制初期火灾，保障人民生命和财产安全有着十分重要的意义。本文从智能消防水炮的功能入手，结合自动探测火源、火源定位、远距离高效灭火等技术进行探讨。
1大空间建筑
随着社会的发展，大空间建筑以其美观、舒适、多功能等优势开始越来越多地出现在人们的生活中，对于这类建筑，其优点有目共睹，但是同时由于此类建筑的建筑结构通常比较复杂，所以在其消防系统设计上也增添了不少难题，也使得在此类新型建筑上设计安全合理的自动灭火系统成为日益突出的讨论话题。在传统的自动喷淋技术已经无法满足大空间建筑初期火灾报警的消防安全需求时，智能消防水炮等智能灭火系统也逐渐成为被关注的焦点。
1.1大空间建筑的定义
大空间场所是指民用和工业建筑物内净空高度大于8m，仓库建筑物净空高度大于12m的场所。一般来讲，大空间建筑是指单层面积大、跨度大、层间高、没有或缺少实体分隔所形成的建筑[1]。通常，在一般建筑中广泛使用的是顶棚安装的感烟和感温型火灾探测器，其适用高度通常在12m以下[2]，这是由于在一般建筑中，火灾烟气能够很快到达顶棚，并沿顶棚蔓延；而在大空间场所，由于其面积大、层间高，火灾燃烧产物在上升过程中烟气的温度和浓度会大幅度下降，使得常常在火灾初期一段时间内，探测器不能及时地感应动作，难以实现早期火灾报警，同时，传统的自动喷淋系统在高大空间内其喷水灭火效果也不能满足消防安全的需求。
1.2大空间建筑中的消防水炮应用
消防水炮具有流量大、射程远的特点，尤其是一些智能消防水炮新产品，可以实现自动探测火源、火源定位以及自动远距离喷射等，可以达到快速抑制大空间建筑初期火灾的消防需求。
自动寻的智能消防炮系统是一种新型、高效的智能灭火系统，主要适用于净空高度大于8m，仓库内净空高度大12m的大空间场所[3]。自动寻的智能消防炮系统具有准确的探火性能、强大的喷水强度和快速的灭火能力，可以自动寻找火源、自动灭火、灭火后自动停止，它具有灭火效率高、保护面积大、响应速度快等特点，同时对非火灾区域造成的损失也比较小。
现有自动寻的水炮产品类型也日益增加，如在郑州国际会展中心、武汉中南剧院、抚顺煤电厂、武汉动车库等工程中，红外线自动寻的消防炮灭火系统就得到了广泛应用，该产品利用可燃物质燃烧时辐射的红外线为探测对象，在被监控的三维空间内全方位探测扫描，准确定位后，自动喷射灭火介质实施灭火，它具备大空间内的全自动灭火与报警功能，并设置有图像监控系统、可实现消防炮远程控制和安全防范的功能，是典型的光机电一体化高新技术产品。
2 智能消防水炮
智能消防水炮随着现在各类新型建筑的消防需求，其技术也在逐渐创新，以更先进有效的科技做支撑，进一步提高智能水炮在大空间建筑，尤其是一些化工企业、油库、大型会馆等特殊场所的消防安全，为在火灾初期有效抑制火灾蔓延起到至关重要的作用。
2.1智能消防水炮的分类
智能消防水炮根据其系统的工作方式不同，主要分为寻的式智能消防水炮和扫射式智能消防水炮。
寻的式智能消防水炮系统是能够根据火场情况自动控制射流姿态，包括水平喷射角度、俯仰喷射角度、直流/雾化射流的消防炮。它具有实时位置监测功能，在其联动控制器上能显示出消防水炮的当前姿态，并可通过控制器进行调整实现最佳灭火效果。
扫射式智能消防水炮系统是一种能够沿一定的轨迹自动进行水平或俯仰扫动的消防炮，这种消防水炮是可以水力驱动，或是控制器驱动下的电动扫动。
2.2智能消防水炮的研究现状和发展前景
寻的式智能消防水炮灭火系统具有精确、快速的特点，适用于室内场合，尤其是室内大空间环境。其灭火作用的效果取决于火灾探测器的反应速度与探测精度，同时还取决于程序中使用的消防炮喷射角度与射流落点坐标数据库的准确度[4]。
扫射式智能消防水炮与寻的式智能消防水炮系统的区别在于该系统使用的消防炮为扫射式智能消防炮，这种系统不能根据火源点坐标参数及数据库中消防炮不同的俯仰及水平喷射角度对应的射流溅落点坐标，确定消防炮应转动的角度，而是根据事先编定的程序，在一定范围内做水平或俯仰扫动，使灭火剂射流覆盖着火点或危险区域。
通过对国内的一些消防产品进行查阅，主要对红外双波段消防水炮和图像探测型消防水炮进行介绍。其中红外炮的一些产品特点主要有：自动准确定位、定点喷射；发现火情到定位喷水时间短（不大于30s）；采用红外，紫外复合探测；模块化结构，现场手动、中心手动、自动控制功能、中心图像监控；免除水渍损失。其中，常见的自动寻的灭火装置的工作原理为：当发生火灾时，先有紫外、红外探测器探测到火源报警；并将火灾报警信号通过网络通讯录传输给控制中心或直接传送给自动寻的灭火装置的现场控制箱，启动水平定位系统、垂直定位系统，将炮嘴对准火源，启动电磁阀喷水灭火，火被扑灭后，灭火装置自动关闭电磁阀，停止灭火，并自动重复巡视一周，确认无火点后，待机监视，如火复燃，自动寻的灭火装置将重新启动。
目前，智能消防水炮产品类型逐渐增多，但是国内外研究对自动灭火系统喷水过程的水流轨迹的研究并不多，基于此现状，胡国良、龙铭[5]等通过重新设计一种室内大空间自动寻的喷水灭火系统，分析对水流射程以及落地速度的影响，为火源空间精确定位提供控制参考依据。 另外，当外界条件变化时，例如：供水管道压力不足、火灾现场有障碍物遮挡水流时，更需要对水流是否喷射到火源上进行动态的评判。为此，国内一些学者也提出一种消防水炮射流轨迹图像的分割与识别算法[6]，准确识别出消防炮射流轨迹，实时地将灭火效果反馈给水炮，以调整水炮的俯仰角度来达到理想的灭火效果，尽可能降低火灾造成的损失。
3智能消防水炮在大空间建筑中的应用技术
一般地，对于场馆大空间建筑，其智能消防设施的功能，主要有以下三种：火灾报警、定点灭火、监控记录。其中，火灾报警方式主要有红外火灾报警、图像火灾报警、火灾监控确认。定点灭火主要有自动消防炮、扫描定位等。系统集成主要有消防中央指挥系统、分布集散式系统、传统报警集成。
3.1自动探测火源与报警的应用技术
为了实现自动探测火源的功能，图像火灾探测器的应用和发展较为广泛和迅速。它具有非接触式探测的特点，属于智能型火灾探测设备，它可将采集到的红外视频图像信号传送给信息处理主机，使火灾探测和图像监控得到有机的结合， 在探测过程中不受空间高度、高温、易爆、有毒等环境条件的限制，并可以将火灾探测与红外视频图像技术相结合，广泛应用于隧道、石油化工、大型仓库、场馆、堆场等场所。
现有的双波段图像型火灾探测技术其探测效果较好，在系统中采用CCD彩色或红外摄像机作为探测元件[7]，采集火灾现场的火焰红外辐射，在火灾识别认知方面，通过对火灾的热、色、形、光谱及运动特性的研究，在色度模型、稳定性模型、增长趋势模型的基础上，发展了纹理模型、立体视角模型、基于红外影像的频域纹理模型、闪烁模型，提出了基于彩色影像和红外影像的双波段火灾识别模型，采用了图像处理、计算机视觉、人工智能等多项技术，实现了大空间建筑早期火灾的探测。
另外，之前就已广泛应用的光截面图像感烟火灾探测技术，其光截面图像感知探测器利用红外光源为手段，通过红外摄像机形成网格化红外光截面，再通过成像的方式对穿过截面的烟雾产生的散射、反射与吸收情况进行分析，整个系统主要是由红外光斑亮度感测烟浓度，利用模式识别、持续趋势、双向预测算法，实现早期火灾的识别、报警。
但是总体比较而言，光截面探测比双波段图像探测在实际应用中误报率显得更高一点，这主要是因为光截面技术是构造了一个红外光束交错而成的类似网状的空间，通过光斑成像来进行火灾报警，会使其受干扰的可能性增大，造成误报。
3.2火源自动定位的应用技术
目前在研究方法中较为常见的是基于CCD图像的火灾空间定位技术，其主要原理是，通过计算机控制水炮顶端的CCD摄像头进行火源扫描，而自动水炮有数字信号控制接口，可通过计算机来控制其转动，在扫描过程中记录CCD摄像头的旋转、位移，然后建立摄像头在不同位置所拍摄的图像中火源图像坐标和火源的空间坐标之间的关系[8]。
对于双摄像机空间定位模型，关键就是在于基线和视差的确定，扫描式单摄像机的空间定位原理就是通常采用一只固定在消防水炮炮管顶端的摄像机，利用同一摄像机转动时在不同时刻的位移和角度变化来模拟双摄像机系统进行空间定位。
图像型火灾探测与定位部分是智能消防炮系统的核心，通过视觉测量算法计算火灾发生的空间位置发送给消防炮，消防炮对火灾区域喷射灭火剂，完成灭火。但是在实际应用中，类似双目平行原理的应用有时还是不能满足大空间建筑的初期火灾定位需要，其误差主要来自于系统参数标定误差和实际测量两个方面。由于火灾不断变化，所以，也有一些研究方法并不是以质心作为匹配点，而是通过采集两相机在相同时间获取的图像帧，对火灾图像进行精确的图像匹配。一对火灾图像会有多组匹配点，为了提高定位结果的精确性并分析火灾的运动趋势，往往会取多对火灾图像，这样会产生大量定位数据。对于定位数据的处理也不再采用简单的平均值处理，而是选取合适的数据处理方法，如有些学者采用概率波[9]的思想进行数据处理等。
3.3远距离高效自动灭火的应用技术
目前，国内外关于消防炮射流轨迹的实验基本都是用实际的消防炮进行，这样喷出的水柱（雾）流量达到每秒几十升，射程、射高达几十米。如果在室外进行实，一些环境参数 （如风速、湿度等 ）还是很难有效控制的，如果在室内进行，对实验场地要求较高。同时，由于消防炮的水流量大、压力高，整套设备结构复杂，实验成本也较高。
基于以上一些现状的分析，万峰[10]等也设想运用相似理论原理，在动力学相似的前提下将实验模型缩小，并为数据库的建立进行模拟实验的理论推导。根据相似准则，以某一物理方程为中间桥梁，得到模型的各参数大小。一些实验主要是测绘出消防炮的射流轨迹，根据测绘出的射流轨迹计算，推导出射流轨迹经验公式。而闵永林[11]等关于水流轨迹的研究，是基于牛顿第二运动定律和空气阻力与速度平方成比例的关系，提出一种消防水炮射流轨迹模拟的新理论模型，模型中考虑空气阻力对不同俯仰角下水射流分速度的影响。计算时只需给定两个俯仰角下的射程数据通过牛顿法确定模型中的未知参数，通过实际算例和试验去证明该模型模拟出的射流轨迹与实际的射流轨迹比较吻合，得出此实验可为消防水炮的智能控制研发提供借鉴意义。
另外，由于探测器与火点间为直线距离， 而水下落的落点通常取决于水流速度安装高度、俯仰角以及风速和空气阻力等因素，最终水是以抛物线的形式下落，所以必须对定点喷水后再增加一定的补偿角才能使水准确落到着火点上，所以也有学者通过建立一套数学模型并结合试验的方法，编制了仰角补偿算法，只需要将现场的一些参数输入设备，即可准确定点灭火。
4智能消防水炮的应用实例
某大型展览馆为单层建筑结构，建筑面积为10400m2，长190m，宽60m，高25m，属于大空间建筑。建筑物内有展示的固体物品，人员较密集，流动性大。据有关消防规范，该展览馆不适宜安装自动喷水灭火系统，常规的火灾探测报警系统也无法发挥应有的作用。基于此种情况，在该展览馆内采用红外线自动寻的消防炮灭火系统，可以较好地完成自动报警与自动灭火。水炮系统设计应满足现行国家标准《固定消防炮灭火系统设计规范》（GB50338-2003）要求。 消防炮的数量、流量、选型和布置如下：1.选择红外线自动寻的消防炮10门，每门流量20L/s，额定工作压力为0.8MPa，射程不小于50m；2.布置。自动消防炮座式安装在12m高度，布置在展厅四个周边墙上，可满足两门水炮同时喷射到展厅任一部位的要求；（如图1）3.消防水泵，数量2台（主泵1台，备用泵1台），流量40L/s，可供2门水炮同时喷射；4.大空间探测装置，选用10套。
5 结束语
通过对现有的智能消防水炮应用技术进行探讨，对于消防炮在现有大空间建筑自动报警和自动灭火方面的应用有了清晰的认识，结合智能消防水炮的发展背景研究现状进行归纳，有利于进一步对此类大空间智能喷水系统的灭火效能进行进一步优化和创新，以适应日益增多的新型建筑，使科技成为智能灭火技术发展的有效推动力，为人民生命财产安全提供更安全高效的保障。
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