CC BY
27
https://doi.org/10.18322/PVB.2019.28.04.63-81 УДК 614.842.6
Актуальные проблемы навигации на очаг пожара пожарных роботизированных стволов в роботизированных установках пожаротушения. Часть 2. Программы управления ПРС при тушении статическими струями с учетом компоновки ПРС относительно очага пожара*
©
Л. М. Мешман 1, В. А. Былинкин1, Ю. И. Горбань
2К
М. Ю. Горбань2, К. Ю. Фокичева2
1 Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (Россия, 143903, г. Балашиха Московской обл., мкр. ВНИИПО, 12)
2 ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР" (Россия, 185031, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Заводская, 4)
РЕЗЮМЕ
Эффективность роботизированных установок пожаротушения в значительной мере зависит оттактики пожаротушения, выбранной для этих программируемых устройств и заключающейся в правильно определенной цели, а это —задача навигации. Вэтом номере даются заключительные материалы, основанные на огневых испытаниях, проведенных по программе и методике ВНИИПО в 2014-2018 гг. Представлены варианты компоновочных схем ПРС относительно очага пожара. Приведены эпюры орошения статическими навесными или фронтальными струями. Показано, что они зависят от угла атаки струи на защищаемую поверхность. Рассмотрены особенности тушения пожара статическими струями при углах атаки 90° и менее 90°. Приведены параметры пятна соприкосновения струи с поверхностью и орошаемой площади, при которыхобеспечивает-ся тушение пожара статическими струями.
Ключевые слова: сканирующие струи; статические струи; угол атаки; эффективная дальность; извещатель наведения; угловые координаты; площадь орошения.
Для цитирования: Мешман Л. М., Былинкин В. А., Горбань Ю. И., Горбань М. Ю., Фокичева К. Ю. Актуальные проблемы навигации на очаг пожара пожарных роботизированных стволов в роботизированных установках пожаротушения. Часть 2. Программы управления ПРС при тушении статическими струями сучетом компоновки ПРС относительно очага пожара// Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. — 2019. — Т. 28, № 4. — С. 63-81. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.04.63-81.
И Горбань Юрий Иванович, e-mail: [email protected]
1. Компоновка ПРС относительно очага пожара
Некоторые варианты компоновки ПРС относительно очага пожара приведены на рис. 12-15.
То, что каждая точка помещения или защищаемого оборудования должна находиться в зоне действия не менее чем двух ПРС, не означает одновременного воздействия на очаг пожара двух ПРС. Эффективное тушение пожара может быть обеспечено только одним ПРС. Вместе с тем, как свидетельствуют результаты экспериментальных исследований, наиболее эффективное действие РУП наблюдается при одновременной подаче ОТВ из двух противоположно установленных ПРС.
Общий расход огнетушащего вещества и продолжительность непрерывной работы РУП должны
* Продолжение. Начало см. журнал "Пожаровзрывобезопасностъ/ Fire and Explosion Safety" № 3 за 2019 г.
быть не менее указанных в табл. 5.1 СП 5.13130.2009 (далее — СП 5) 5 [40]. Общий расход РУП уточняется с учетом количества ПРС, одновременно задействованных в рабочем режиме, гидравлических потерь в питающем трубопроводе, характера и величины пожарной нагрузки, технологических особенностей объекта, группы помещений 1, 2 или 4 по приложению Б СП 5 [40].
В табл. 5.1 СП 5 [40] указано, что для оросителей общего назначения согласно ГОСТ Р 51043-2002 (Установки водяного и пенного пожаротушения автоматические. Оросители. Общие технические требования. Методы испытаний) минимальная орошаемая площадь с требуемой интенсивностью орошения составляет 12 м2, а для традиционных АУП в зависимости от группы помещений по СП 5 [40] — от 60 до 180 м2.
Проекция орошаемого пятна навесных, или фронтальных, или строчных компактных струй, или рас-
N л о
О
В
ПРС 1, ПРС 2
/ у
Äl> R2 / / / / / / / &3
QX^ / ; 2 V
7 Ось Y - / X у
V, У/ У, У/ У/ У У У У У У Уу D Vs У/ ^ со
- Yh2 у
Рис. 12. Компоновка ПРС относительно очага пожара класса В при их одностороннем расположении и подаче статических (стоячих) струй: а — вид сбоку; б — вид сверху; 1 — пожарная нагрузка (противень с жидким горючим); 2 — подставка; В — ширина помещения; В — диаметр противня с жидким горючим; Н — высота монтажа ПРС; к — расстояние по перпендикуляру между зеркалом жидкого горючего и осью вращения ствола ПРС; Ь — расстояние между ПРС по оси X; Ь1, Ь2 —расстояние по перпендикуляру между центром противня с жидким горючим и соответственно ПРС 1 и ПРС 2; К2 — условные осевые компактной струи или распыленного потока ОТВ; Лэф — эффективная дальность подачи ОТВ;/—высота борта противня; в2г — угол атаки компактной струи или распыленного потока ОТВ относительно оси Z соответственно ПРС 1 или ПРС 2; 91Х, 92Х — угол атаки компактной струи или распыленного потока ОТВ относительно осиXсоответственно ПРС 1 или ПРС 2; У12 — расстояние по оси У между центром пожарной нагрузки и ПРС 1, ПРС 2
ПРС 2
Рис. 13. Компоновка РУП относительно очага пожара класса А при противоположном расположении ПРС и подаче статических (стоячих) струй: а — вид сбоку; б — вид сверху; 1 — деревянный штабель; 2 — подставка; Н — высота монтажа ПРС; к — расстояние по перпендикуляру между верхней поверхностью пожарной нагрузки и осью вращения ствола ПРС; Ь — расстояние между ПРС по оси X; Ь1, Ь2 — расстояние по осиХмежду центром пожарной нагрузки и соответственно ПРС 1 и ПРС 2; х, у, 2 — соответственно длина, ширина и высота пожарной нагрузки; У1, У2 — расстояние по оси У между центром пожарной нагрузки и соответственно ПРС 1 и ПРС 2
пыленного потока ОТВ, формируемых одним стволом ПРС, в зависимости от того, под каким углом подается струя на объект защиты, может иметь форму круга или эллипса.
Чтобы струя покрыла минимальную защищаемую круговую площадь 12 м2, ее диаметр должен быть не менее 4 м, а диаметр окружности, описанной вокруг квадрата площадью 60 м2, — не менее 11м. Однако чем шире струя, тем меньше ее эффективная дальнобойность, поэтому при таких широких потоках ОТВ их дальнобойность не будет превышать нескольких метров, что абсолютно неприемлемо для конкретных условий применения РУП.
Система управления ПРС должна обеспечивать поддержание гидравлических и кинематических параметров, в том числе угла распыления струи и угла коррекции между линией визирования извещателя наведения и линией возвышения пожарного ствола ПРС, таким образом, чтобы независимо от расстояния до очага пожара диаметр пятна струи ОТВ, контактирующего с объектом защиты, сохранял неизменное значение.
N л и
О
ПРС 1, ПРС 2
У / / /
/ / / / ¡4
Ось Г 1 У , N
■ ■ / '
У, V, У, V, V, 'Л У, V, У, V, V, У, -, У
Рис. 14. Компоновка ПРС относительно очага пожара класса А при одностороннем расположении ПРС и подаче сканирующих струй: а — вид сбоку; б — вид сверху; 1 — пожарная нагрузка; 2 — подставка; В — ширина помещения; Н— высота монтажа ПРС; к — расстояние по оси 2 между верхней поверхностью пожарной нагрузки и осью вращения ствола ПРС; Ь — расстояние между ПРС по осиX; Ь1, Ь2 — расстояние по оси X между верхней поверхностью пожарной нагрузки и соответственно ПРС 1 и ПРС 2; Л1н, Л1к, Л2н, Л2к — условные осевые компактной струи или распыленного потока ОТВ соответственно в начале и по окончании цикла сканирования ПРС 1 и ПРС 2; Лэф — эффективная дальность подачи ОТВ; х, у, z — соответственно длина, ширина и высота пожарной нагрузки; 012, 022 — угол атаки компактной струи или распыленного потока ОТВ относительно оси 2 соответственно ПРС 1 или ПРС 2; 91Х, 92Х — угол атаки компактной струи или распыленного потока ОТВ относительно оси X соответственно ПРС 1 или ПРС 2; ю1, ю2 — диапазон углов сканирования соответственно ПРС 1 и ПРС 2; Д1 — реальный диапазон углов орошения из ПРС 1; У12 — расстояние по оси У между центром пожарной нагрузки и ПРС 1, ПРС 2
ПРС 2
Рис. 15. Компоновка ПРС относительно очага пожара класса В (протяженного прямоугольного противня) при противоположном расположении ПРС и подаче сканирующих струй: а — вид сбоку; б — вид сверху; 1 — пожарная нагрузка (прямоугольный противень с жидким горючим); 2 — подставка; В — ширина помещения; Н — высота монтажа ПРС; к — расстояние по оси X между зеркалом жидкого горючего и осью вращения ствола ПРС; Ь — расстояние между ПРС по осиX; Ь1, Ь2 —расстояние по оси Xмежду центром противня с жидким горючим и соответственно ПРС 1 и ПРС 2; К1н, К1к, К2н, К2к — условные осевые компактной струи или распыленного потока ОТВ соответственно в начале и по окончании цикла сканирования ПРС 1 и ПРС 2; У1 — расстояние по оси У между ПРС 1 и центром пожарной нагрузки; /— высота борта противня; х, у — длина и ширина противня; ю 1, ю2 — диапазон углов сканирования соответственно ПРС 1 иПРС 2; Д1—реальный диапазон углов орошения из ПРС 1
Эпюры орошения навесными или фронтальными струями зависят от угла атаки 0 струи на защищаемую поверхность.
В реальных условиях ПРС осуществляет пространственную защиту в горизонтальной плоскости в пределах около 360°. Эпюра орошения защищаемой поверхности струей ствола ПРС при угле атаки 0 = 90° представляет собой круг, а в остальных случаях — эллипс, причем чем меньше угол атаки 0, тем более вытянутую форму будет иметь эллипс.
Количество строк сканирования определяется в зависимости от размера пятна ОТВ, контактирующего с защищаемой поверхностью, и высоты защищаемой зоны.
По результатам проведенных измерений пятна струи орошение как внутри круга, так и внутри эл-
липса имеет неравномерный характер. Достаточно кучный участок с удовлетворительной интенсивностью орошения расположен на расстоянии, составляющем порядка 90 % от максимальной дальности (по крайним каплям). Расстояние до него принято считать эффективной дальностью. Площадь пятна струи, на которую падает до 70 % подаваемой воды, является эффективной зоной орошения. При вибрировании, осциллировании или сканировании струей орошение становится более равномерным. Эффективная зона пятна орошения должна учитываться при составлении программ орошения с учетом дальности струи.
Как следует из приведенных на рис. 8-11* различных компоновочных схем ПРС, визирование из-вещателя наведения на очаг пожара и возвышение ствола ПРС имеют различную угловую трехмерную ориентацию. Для упрощения и сокращения объема изложения материала взаимодействие струй с поверхностью горючей нагрузки далее условно рассматривается в одной плоскости.
2. Программы управления ПРС при тушении статическими струями
2.1. Статические струи, направленные к фронтальной поверхности (6 « 90°)
Для статических струй, направленных к фронтальной поверхности (0 « 90°) предельно допустимая площадь пожара оценивается по площади круга 5к, образующегося при контакте струи или распыленного потока ОТВ с объектом защиты.
В данном случае программа ПРС с учетом угла погрешности навигации а и угла зоны нечувствительности извещателя наведения р реализует наведение ствола ПРС одним из двух способов:
• под обрез пламени таким образом, чтобы нижняя кромка пламени находилась целиком в пределах пятна контакта струи с защищаемой поверхностью (рис. 16,а);
• в центр пламени таким образом, чтобы участок объекта защиты, объятый пламенем, находился целиком в пределах пятна контакта струи с защищаемой поверхностью (рис. 16,б).
При этом во всех случаях программа управления ПРС обеспечивает попадание струи ОТВ в очаг пожара путем:
* См. начало настоящей статьи: Мешман Л. М., Былинкин В. А., Горбань Ю. И., Горбань М. Ю., Фокичева К. Ю. Актуальные проблемы навигации на очаг пожара пожарных роботизированных стволов в роботизированных установках пожаротушения. Часть 1. Предпосылки создания РУП и специфические особенности тушения пожаров ПРС // Пожаровзрыво-безопасность/Fire and Explosion Safety. —2019. — Т. 27, № 3. — С. 70-88. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.03.70-88.
• анализа давления ОТВ и в случае его изменения внесения баллистической поправки к вертикальному углу наведения (углу возвышения) выходного патрубка ствола в зависимости от расстояния до очага пожара и давления ОТВ;
• выбора угла распыления ОТВ в зависимости от расстояния от ПРС до очага пожара.
Для рис. 16,а и 16,6 диапазон углов орошения с учетом растекания ОТВ по защищаемой поверхности по горизонтали равен реальному диапазону углов орошения а = А. Допустим, что в данном случае программа ПРС с учетом угла погрешности навигации а и угла зоны нечувствительности извещателя наведения р реализует наведение ствола ПРС на осевую линию пламени ВВ1 и определяет в зависимости от расстояния до очага пожара необходимый диаметр струи ОТВ Встр в момент ее соприкосновения с поверхностью горения, причем диаметр струи принимается больше длины пламени, т. е. Встр > Ьпа. При наведении ПРС на очаг пожара его ствол может перемещаться не только по горизонтали — слева направо или справа налево, но и одновременно по вертикали — сверху вниз или снизу вверх.
Если визирование струи предполагается по осевой линии регистрируемого очага пожара ВВ1, и он не выходит за пределы площади взаимодействия струи с поверхностью АВС, и угол X не выходит за пределы угла А, то статическая фронтальная струя обеспечивает ликвидацию пожара. В этом случае пятно соприкосновения струи с поверхностью и орошаемая площадь имеют следующие параметры:
• пятно соприкосновения:
а) в угловых координатах (здесь и далее: для упрощения изложения угловые координаты приняты только по оси X):
А > X = V + 2а + 2Р; (1)
б) в линейных размерах (здесь и далее: вследствие R >> Бстр (где R—радиус действия струи) принимаем область дуги L прямой:
Ь = В = АС =
-^сопр -ЛЛ^
= 2Л (А/2) > 2Л (у/2 + а + Р) или Ьсопр «лАЛ/180 « АЛ/57,3; в) площадь
5 с0пр =^/4 = 0,785В 2тр;
• орошаемая площадь:
а) в угловых координатах:
А>Х = у + 2а + 2Р;
б) в линейных размерах:
Ьорош Встр АС
= 2Л (А/2) > 2Л (у/2 + а + Р)
или
; ЛR/57,3;
(2а) (2б)
(3)
(4)
(5а) (5б)
L
орош
■^сопр -^орош
Рис. 16. Эпюра орошения фронтальной поверхности статической струей с углом атаки 0 к 90° при ее наведении: а — под обрез пламени; б — в центр пламени; 1 — пламя; 2 — орошаемая площадь в момент соприкосновения струи с защищаемой поверхностью; 3 — дополнительная площадь, орошаемая за счет стекания ОТВ по вертикали; 4 — ПРС; Встр — диаметр струи в
момент ее соприкосновения с защищаемой поверхностью; Ц
сопр
= Ь
орош
= АС — длина линии соприкосновения и орошения
при контакте ОТВ с защищаемой поверхностью; Ьпл — длина пламени; У — расстояние по оси У до центра пламени
в) площадь орошения:
? = ? >
^орош ^сопр —
пБс2
У' я2 = [П
стр 1 -
У' I Б2
(6)
Предполагается, что, во-первых, интенсивность
орошения в зоне 5орош не ниже, чем в круге С
сопр
так
как ОТВ после контакта с вертикальной поверхностью стекает вниз по оси У; во-вторых, интенсивность и равномерность орошения сохраняются в пределах У к (1,0+2,0) Встр. При У = 0,5Встр, т. е. при площади орошения, ограниченной высотой ВВ1 = В ~ Встр, имеем:
пБ
стр
С = С >
^орош ^сопр —
= 1- + 0,51 Бтр
0,5Бс2тр =
0,89Б
стр
При этом интенсивность орошения в пределах площади круга диаметром Встр(см. рис. 16,а) должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 51043-2002 и СП 5.13130.2009 [40]).
Если очаг пожара выходит за пределы площади пятна взаимодействия струи с поверхностью САВСВ1,
т. е. угол X выходит за пределы угла Д, то условия (4)-(6) не выполняются и пожар статической струей потушен быть не может, вследствие чего для его ликвидации необходимо либо увеличить диаметр струи Встр, либо использовать строчное сканирование.
2.2. Статические струи, направленные под углом к фронтальной поверхности (0< 6 <90°)
Для статических струй, направленных под углом к фронтальной поверхности (0 < 0 < 90°), предельно допустимая площадь пожара изначально оценивается по площади эллипса Сэ, образующегося при контакте струи или распыленного потока ОТВ с объектом защиты.
Как и в предыдущем случае, программа ПРС с учетом угла погрешности навигации а и угла зоны нечувствительности извещателя наведения р реализует наведение ствола ПРС одним из двух способов: • под обрез пламени таким образом, чтобы нижняя кромка пламени находилась целиком в пределах пятна контакта струи с защищаемой поверхностью (рис. 17,а);
2
8
Рис. 17. Эпюра орошения плоской поверхности статической скользящей струей с углом атаки (0 < 0 < 90°) при ее наведении: а — под обрез пламени; б—в центр пламени; 1 — пламя; 2 — орошаемая площадь в момент соприкосновения ОТВ с защищаемой поверхностью; 3 — дополнительная площадь А5г, орошаемая за счет растекания ОТВ по горизонтали; 4 — ПРС; 5 — дополнительная площадь А5в-г, орошаемая за счет стекания ОТВ по вертикали и по горизонтали; Ьорош = АБ — длина орошения с учетом растекания ОТВ по горизонтали
• в центр пламени таким образом, чтобы участок объекта защиты, объятый пламенем, находился в зоне орошения по осевой линии эллипса соприкосновения ОТВ (совмещение вертикальной оси пламени с малой осью эллипса соприкосновения) (рис. 17,б).
В момент соприкосновения компактной струи или распыленного потока ОТВ диаметром Встр с по-
верхностью горения образуется зона соприкосновения в форме эллипса 5сопр(АВСВ А), обеспечивающая перекрытие зоны очага горения. Чем меньше угол атаки 0, тем больше площадь эллипса 5сопр(АВСВ А) и при неизменном расходе меньше интенсивность орошения. Поскольку струя (поток) ОТВ по инерции будет скользить по поверхности орошения по направлению его подачи (по оси X), интенсивность
орошения, приходящаяся на среднюю часть эллипса, будет сохраняться на некотором участке, ограниченном полуэллипсом BDB,.
Предполагается, что по сравнению с интенсивностью орошения в зоне непосредственного контакта струи с поверхностью интенсивность орошения в зоне, расположенной вдоль направления потока OTB на некотором расстоянии от границы контакта струи с орошаемой поверхностью, при изменении угла атаки 0 от 0 до 90° изменяется от максимума до минимума, и наоборот, в некоторой зоне, расположенной ниже строки орошения, — от минимума до максимума (т. е. практически до интенсивности орошения, соответствующей интенсивности в зоне контакта струи с поверхностью).
При определенном значении угла атаки 0 длина зоны дополнительного орошения CD может перекрывать погрешность навигации a2 и зону нечувствительности P2 извещателя наведения. B этом случае диаметр струи Встр может приниматься даже несколько меньше ширины пламени, поэтому при малом угле атаки можно учитывать только угол погрешности навигации a, и угол зоны нечувствительности Pj извещателя наведения.
B то же время при значительном угле атаки 0 площадь пятна соприкосновения струи с поверхностью ABCB1A меньше, сокращается и дополнительная площадь орошения ABDB1A и одновременно больше OTB стекает вниз по вертикальной плоскости. Следовательно, при большом угле атаки приходится учитывать погрешность угла навигации и угол зоны нечувствительности извещателя наведения с обеих сторон пламени, т. е. и (aj + P1), и (a2 + P2).
Если визирование струи предполагается по осевой линии регистрируемого пламени, а очаг пожара не выходит за пределы площади взаимодействия струи с поверхностью 5сопр = ABCB 1Аиугол X не выходит за пределы угла А, то статическая струя, действующая под углом атаки 0 к фронтальной поверхности, обеспечивает ликвидацию пожара. B этом случае (при R >> Встр) и, допустим, при малом угле атаки пятно соприкосновения струи с поверхностью с квазипостоянной интенсивностью орошения и орошаемая площадь имеют параметры: • пятно соприкосновения:
а) в угловых координатах при 0 < 45°:
А > X = (у + aj + pj); (7а)
при 0> 45°:
А > X = (у + a, + Pj + a2 + P2); (7б)
б) в линейных размерах:
¿сопр = AC = ВСТр/ sin 0; (8)
в) площадь орошения:
5сопр = я • AC • BBj/4 = nD^ /(4 sin 0); (9)
• орошаемая площадь:
а) в угловых координатах:
a = А + 5; (j0)
б) в линейных размерах:
¿орош = AD = (AC + CD) Дстр/sin 0; (Па) при 0 < 45°: L к (А + 5)R > (5 + у + aj + pj)R _
^орош
57,3
57,3
при 0> 45°:
(5
¿орош
у + a
(А + 5) R
57,3 + pj + a 2
P 2)R
(Пв)
57,3
в) площадь орошения:
5сопр + А5г + А5в
орош "ч/ ^сопр
= 0,5 (5 сопр + А 5fbdd,) + А 5 ^a,. (j2)
Если очаг пожара выходит за пределы площади ABDB,A или угол X — за пределы угла a, т. е. не выполняются условия (10)-(12), то пожар статической струей не может быть потушен. B этом случае для его ликвидации необходимо либо увеличить диаметр струи Встр (а для поддержания интенсивности орошения повысить и расход), либо использовать строчное сканирование (опять-таки одновременно увеличив расход).
Aналогичные положения приемлемы и для статической навесной струи.
Если защищаемая площадь подвергается орошению статической навесной или фронтальной струей (без сканирования стволом nPC), то расчет расхода nPC, необходимого для тушения пожара, упрощается: интенсивность орошения и расход принимаются согласно TOCT P 51043-2002 и Cn 5 [40]. B то же время программа управления должна обеспечивать (независимо от расстояния от nPC до защищаемой поверхности) за счет регулировки угла раскрытия струи квазипостоянную площадь пятна контакта OTB с защищаемой поверхностью.
Расход nPC Q (л/м2) для статической фронтальной, действующей под углом к фронтальной поверхности, или навесной струи рассчитывается из условия:
Q = ^'5сопр /sin 0 = Кг'5орош, (13)
где K — коэффициент использования расхода; K = 1,2^ 1,3;
i — нормативная интенсивность орошения по
Cn 5 [40], л/(см2).
Площадь пятна соприкосновения струи с поверхностью в форме круга при 0 = 90° определяется как
S сопр.к ^DCTp как ^опр.э = л-^стр
/4, в форме эллипса при 0 Ф 90° — 2 /(48Ш 0). Во сколько раз увеличивается 5орош по сравнению с Ссопр, во столько раз потребуется увеличить расход ОТВ. Необходимо учитывать этот фактор при проектировании РУП и при определении расстояния между ПРС, входящих в состав РУП, стараться, чтобы угол атаки 0 каждого ПРС был как можно больше.
Выводы
Статические струи в практике РУП применяются нечасто. Однако введенные понятия и представленные расчеты имеют существенное значение для сканирующих струй, широко применяемых в РУП непосредственно для пожаротушения, и о них пойдет речь в следующей заключительной главе.
Окончание следует
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Shanee Honig, Tal Oron-Gilad. Understanding and resolving failures in human-robot interaction: Literature review and model development // Frontiers in Psychology. — 2018. — Vol. 9. — Article No. 861.—21 p. DOI: 10.3389/fpsyg.2018.00861.
2. Аналитическое исследование: мировой рынок робототехники. — М.: Национальная Ассоциация участников рынка робототехники, 2016. — 157 с. URL: http://robotforum.ru/assets/files/000_ News/NAURR-Analiticheskoe-issledovanie-mirovogo-rinka-robototehniki-%28yanvar-2016 %29.pdf (дата обращения: 05.01.2019).
3. Marchant G. E., Allenby B., Arkin R. C., Borenstein J., Gaudet L. M., Kittrie O., Lin P., Lucas G. R., O'Meara R., Silberman /.International governance of autonomous military robots // Handbook of unmanned aerial vehicles / Valavanis K. P., Vachtsevanos G. J. (eds). — Dordrecht: Springer, 2015. — P. 2879-2910. DOI: 10.1007/978-90-481-9707-1_102.
4. Meller Michael. UN meeting targets 'killer robots' // UN News. — 14 May 2014. URL: http://www.un.org/apps/news/story.asp?NewsID=47794 (дата обращения: 07.01.2019).
5. Cummings M. L. Unmanned robotics and new warfare: a pilot/professor's perspective // Harvard National Security Journal. — 24 March 2010. URL: http://harvardnsj.org/2010/03/unmanned-robotics-new-warfare-a-pilotprofessors-perspective/ (дата обращения: 07.01.2019).
6. 11 police robots patrolling around the world // Wired. — 24 July 2016. URL: https://www.wired.com/ 2016/07/11-police-robots-patrolling-around-world/ (дата обращения: 05.01.2019).
7. Бойко Алексей (ABloud). Каталог пожарных роботов. Пожарные роботы. Роботизированная техника для борьбы с пожарами. URL: http://robotrends.ru/robopedia/katalog-pozharnyh-robotov (дата обращения: 05.01.2019).
8. Tan Chee Fai, Liew S. M., Alkahari M. R., Ranjit S. S. S., SaidM. R., Chen W., Rauterberg G. W. M., Sivakumar D., Sivarao. Fire fighting mobile robot: state of the art and recent development // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. — 2013. — Vol. 7, No. 10. — P. 220-230.
9. Fire robots and fire robots technology: product catalogue 2015-2016. — Petrozavodsk : "FR" Engineering Centre of Fire Robots Technology, LLC. Publ., 2017. — 23 р. URL: http://www.russchinatrade.ru/ assets/files/ru-offer/FR%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9B%AE%E5%BD%952015%E8 %8B%B1%E6%96%87%E7%89%88.pdf (дата обращения: 20.12.2018).
10. Роботы в промышленности — их типы и разновидности. Робототехника, 3D-принтеры. Блог компании Top 3D Shop. URL: https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/403323/ (дата обращения: 25.12.2018).
11. Melanson Tony. What Industry 4.0 means for manufacturers. URL: https://aethon.com/mobile-robots-and-industry4-0/ (дата обращения: 05.01.2019).
Каталог решений роботизированного транспорта. Транспорт и роботы. Зарубежные решения. URL: http://robotrends.ru/robopedia/katalog-resheniy-robotizirovannogo-transporta (дата обращения: 10.01.2019).
Ruggiero Alexander, Salvo Sebastian, Laurent Chase St. Robotics in construction: IQP Final Report 3/24/2016. — Massport, 2016. — 78 р. URL: http://web.wpi.edu/Pubs/E-project/ Available/E-project-032316-150233/unrestricted/FinalReport.pdf (дата обращения: 10.01.2019). Robots in Agriculture. URL: http://www.intorobotics.com/35-robots-in-agriculture/ (дата обращения: 05.01.2019).
Juan Jesús Roldán, Jaime del Cerro, David Garzón Ramos, Pablo Garcia Aunon, Mario Garzón, Jorge de León, Antonio Barrientos. Robots in agriculture: State of art and practical experiences // Service Robots / Rolf Dieter Schraft, Gernot Schmierer. — New York: A K Peters / CRC Press, 2018. — 228 p. DOI: 10.5772/intechopen.69874.
12
13
14
15
16. Van OostE., Reed D. Towards a sociological understanding of robots as companions // HRPR 2010: Human-Robot Personal Relationships. Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering / Lamers M. H., Verbeek F. J. (eds). — Heidelberg : Springer.—P. 11-18. DOI: 10.1007/978-3-642-19385-9_2.
17. Van der Plas A., Smits M., Wehrmann C. Beyond speculative robot ethics: a vision assessment study on the future of the robotic caretaker // Accountability in Research. — 2010. — Vol. 17, Issue 6. — P. 299-315. DOI: 10.1080/08989621.2010.524078.
18. Van Wynsberghe A. Designing robots for care: care centered value-sensitive design // Science and Engineering Ethics. — 2013. — Vol. 19, Issue 2. — P. 407-433. DOI: 10.1007/s11948-011-9343-6.
19. RobinetteP.,HowardA., Wagner A. R. Conceptualizing overtrust in robots: why do people trust a robot that previously failed? // Autonomy and artificial intelligence: a threat or savior? / Lawless W. F., MittuR., SofgeD.,RussellS.(eds). — Cham: Springer,2017. —P. 129-155.DOI: 10.1007/978-3-319-59719-5_6.
20. ЕфановВ., МартыновМ., ПичхадзеК. Космические роботы для научных исследований // Наука в России. — 2012. —№ 1. —C. 4-11.
21. Royakkers L., vanEstR. A literature review on new robotics: automation from love to war // International Journal of Social Robotics.— 2015.—'Vol. 7,Issue 5.—P. 549-570.DOI: 10.1007/s12369-015-0295-x.
22. HonigS., Oron-Gilad T.Understanding and resolving failures in human-robot interaction: literature review andmodel development // Frontiers in Psychology. — 2018.—Vol. 9. DOI: 10.3389/fpsyg.2018.00861.
23. Автоматическая установка с самонаведением средств тушения на очаг пожара // Пожарное дело. — 1970. — № 2. — С. 257.
24. А. с. 257300 CCCP. МПК A62C 37/10 (2000.01), A62C 37/40 (2000.01). Устройство для наведения огнетушащей струи на очаг пожара/ Веселов А. И., Абдеев М. Г., Балагин П. Г. — № 1206295.29-14; заявл. 26.12.1967; опубл. 11.11.1969, Бюл. № 35.
25. А. c. 370950 CCCP. МПК A62C 37/04 (2000.01). Устройство для наведения огнетушащей струи на очаг пожара/ Мешман Л. М. —№ 1488694/29-14; заявл. 02.11.1970; опубл. 22.11.1973, Бюл. № 12.
26. Веселое А. И., Мешман Л. М.Автоматическая пожаро- и взрывозащита предриятий химической и нефтехимической промышленности. — М. : Химия, 1975. — 280 с.
27. Weselow A. I., Meschman L. M. Automatischer brand- und explosionschutz. — Berlin : Staatsverlag DDR, 1979. —200 s.
28. ПоповН.Л.,ГорбаньЮ.И. Пожарные роботы // Пожарное дело. —1986. —№ 7. — C. 20-21.
29. Мешман Л. М., Верещагин С. Н. Современная пожарная робототехника : обзорная информация. — М. : ГИЦ МВД СССР, 1988. — 42 с.
30. Мешман Л. М., Пивоваров В. В., Гомозов А. В., Верещагин С. Н. Пожарная робототехника. Состояние и перспективы использования : обзорная информация. — М. : ВНИИПО МВД СССР, 1992.— 82 с.
31. Мешман Л. М., Верещагин С. Н., Широков С. М., Алдонясов В. И. Баллистика сканирующих струй // Пожарная техника и тушение пожаров.—М.: ВНИИПО МВД СССР, 1990.—C. 61-66.
32. НПБ 84-2000. Установки водяного и пенного пожаротушения роботизированные. Общие технические требования. Методы испытаний. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200016071 (дата обращения: 10.01.2019).
33. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон РФ от 22.07.2008 № 123-ФЗ (в ред. от 29.07.2017). URL: http://docs.cntd.ru/document/902111644 (дата обращения: 25.12.2018).
34. FM 142.1. Approval Standard for Fire Protection Monitor Assemblies. FM Approvals LLC, 2018.—28 р.
35. Jensen G. Fire fighting systems: Comparison of performances of interior and exterior applications at large wood buildings. KA PROJECT. Test report A075349. Final. — Trondheim: COWI AS, 2018. — 26 р. (in Norwegian).
36. Gorban Yu. I. An automated fire-fighting complex integrating a television system. European patent 2599525B; publ. date 30.12.2015, Bull. 53.
37. Gorban Yu. I. Fire robots // Industrial Fire Journal. — 2016. —No. 103. — P. 12-13.
38. Пат. 2677622 Российская Федерация. МПК A62C 35/00 (2006.01). Роботизированный пожарный комплекс на базе пожарных мини-роботов-оросителей с системой удаленного доступа / Гор-бань Ю. И. — № 2018116814; заявл. 04.05.2018; опубл. 17.01.2019, Бюл. № 2.
39. Горбань Ю. И. Пожарные роботы и ствольная техника в пожарной автоматике и пожарной охране. — М. : Пожнаука, 2013. — 352 с.
40. СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования (ред. от 01.06.2011). URL: http://base.garant.ru/195658/ (дата обращения: 15.12.2018).
41. ВНПБ 39-16 (СТО 1682.0017-2015). Роботизированная установка пожаротушения. Нормы и правила проектирования. — М. : ВНИИПО МЧС России, 2016. — 84 с.
Поступила 12.01.2019; после доработки 20.02.2019; принята к публикации 22.02.2019
Информация об авторах
МЕШМАН Леонид Мунеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация
БЫЛИНКИН Владимир Александрович, канд. техн. наук, начальник сектора, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; ORCID: 0000-0002-4034-2510; Scopus Author ID: 6506544327; e-mail: [email protected] ГОРБАНЬ Юрий Иванович, генеральный директор, ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР", Республика Карелия, г. Петрозаводск, Российская Федерация; ORCID: 0000-0002-4452-6798; e-mail: [email protected]
ГОРБАНЬ Михаил Юрьевич, технический директор - ГИП, ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР", Республика Карелия, г. Петрозаводск, Российская Федерация; ORCID: 0000-0001-9191-426X; e-mail: [email protected]
ФОКИЧЕВА Кристина Юрьевна, ведущий инженер-проектировщик, ООО "Инженерный центр пожарной робототехники "ЭФЭР", Республика Карелия, г. Петрозаводск, Российская Федерация; ORCID: 0000-0003-2850-7324; e-mail: [email protected]
сг -)) Издательство
«П0ЖНАУКА»
121352, г. Москва, а/я 6; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]
https://doi.org/10.18322/PVB.2019.28.04.63-81 UDC 614.842.6
Actual problems of positioning of the robotic monitors to fire area in robotic fire suppression systems. Part 2. RFM operating programs for fire extinguishing
with static streams considering RFMs positioning to fire area*
©
Leonid M. Meshman ', Vladimir A. Bylinkin1, Yuriy I. Gorban
2K
Mikhail Yu. Gorban2, Kristina Yu. Fokicheva2
1 All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia (VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russian Federation)
2 Engineering Centre of Fire Robots Technology "FR" LLC (Zavodskaya St., 4, Petrozavodsk, Republic of Karelia, 185031, Russian Federation)
ABSTRACT
The efficiency of robotic fire monitors depends on the fire extinguishing method chosen for these programmable devices to the large extent. This efficiency depends on the correct target, it means on the correct positioning. This issue contains final materials based on fire tests conducted according to the program and methods of VNIIPO in 2014-2018 years. Options for RFM positioning with respect to fire area are described. Curves of coverage by static high-angled or frontal streams are given. It is shown that curves depend on the angle of stream attack to the protected surface. The features of fire extinguishing with static streams at angles of attack of 90° and less than 90° are given. The parameters at which fire is to be extinguished by staticstream are given for stream contact spot with surface and covered area.
Keywords: scanning streams; static streams; angle of attack; effective range; targeting detectors; angular coordinates; coverage area.
For citation: L. M. Meshman, V. A. Bylinkin, Yu. I. Gorban, M. Yu. Gorban, K. Yu. Fokicheva. Actual problems of positioning of the robotic monitors to fire area in robotic fire suppression systems. Part 2. RFM operating programs for fire extinguishing with static streams considering RFMs positioning to fire area. Pozharovzryvobezopas-nost/Fire and Explosion Safety, 2019, vol. 28, no. 4, pp. 63-81. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.04.63-81.
K Yuriy Ivanovich Gorban, e-mail: [email protected]
1. RFMs positioning with respect to fire area
Options of RFM positioning with respect to fire area are shown in Fig. 12-15.
If each place of room or point of equipment to be protected must be located in operation area of at least two RFMs it does not mean that two RFMs should simultaneously operate and extinguish the fire area. Efficient fire extinguishing can be provided by only one RFM. At the same time, according to the results of experiments, the most efficient operation of RFSS is observed when FEA is supplied simultaneously from two oppositely installed RFMs.
The total flow rate of fire extinguishing agent and the duration of RFSS continuous operation shall be at least as those specified in Table 5.1 of Set of rules 5.13130.2009 (SP 5) [40]. The total flow rate of RFSS is to be specified taking into account the number of RFMs simultaneously operated, the hydraulic losses in supply pipeline, type and size of fire load, technolo-
* It is continuation. See the beginning of this article in Pozharo-vzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2019, no. 3.
gical features of the object, type of rooms (1, 2 or 4) according to Appendix B of SP 5 [40].
It is indicated in Table 5.1 of SP 5 [40] that for generalpurpose sprinklers, according to GOST R 51043-2002 (Automatic water and foam fire fighting systems. Sprinklers, spray nozzles and water mist nozzles. General technical requirements. Test methods), the minimum coverage area with the required coverage intensity is 12 m2, and for conventional AFSS (depending on room class according to Construction Rules SP 5 [40]) — from 60 to 180 m2.
The projection of covered spot of high-angled streams, or frontal streams, or scanning straight streams, or sprayed FEA streams generated by one RFM, depending on angle of stream supplying to object to be protected, may be in the form of a circle or an ellipse.
For the stream to cover minimum protected circular area of 12 m2, its diameter shall be at least 4 m, and the diameter of the circle circumscribed about a foursquare of 60 m — at least 11m. However, the wider is the stream, the smaller is its effective maximum range, therefore in case of FEA wide streams their range will
y RFM 1, RFM 2
\\\ / / / / /
- QaZ \N\ \ \ \ \ R2 / / ; - / / / / : 2 ¡5
'/
7 Axis Y - / x
y y, y, y, y, D % Ys " to
Fig. 12. RFMs positioning with respect to class B fire area if they are located at one side and in case of use of static (stationary) streams: a — side view; b — top view; 1 — fire load (tray with liquid fuel); 2 — support; B — room width; D — diameter of the tray with liquid fuel; H — height of RFM installation; h — perpendicular distance between liquid fuel surface and RFM rotation axis; L — distance between RFMs along axis X; Lj, L2 — perpendicular distance between the center of the tray with liquid fuel and RFM 1 and RFM 2 respectively; R1, R2 — conventional axes of straight stream or FEA sprayed stream; Ref — efficient range of FEA stream; f— height of tray sides; 91Z, 92Z — angle of attack of straight stream or FEA sprayed stream along the axis Z of RFM 1 and RFM 2 respectively; 91X, 92X — angle of attack of straight stream or FEA sprayed stream along the axis X of RFM 1 or RFM 2 respectively; Y12 — Yaxial distance between center of fire load and RFM 1, RFM 2
RFM 1 Axis Y
Fig. 13. RFMs positioning with respect to class A fire area if RFMs are located opposite to static (stationary) stream supply: a — side view; b — top view; 1 — wooden stack-pile; 2 — support; H— height of RFM installation; h — perpendicular distance between top surface of fire load and RFM rotation axis; L — distance between RFMs along axis X; L1, L2 — perpendicular distance between the center of fire load and RFM 1 and RFM 2 respectively; x, y, z — length, width and height of fire load; Y1, Y2 — distance along the axis Ybetween center of fire load and RFM 1 and RFM 2 respectively
not exceed several meters, which is absolutely unacceptable for the specific conditions of RFSS use.
The RFM control system shall provide hydraulic and traveltime parameters, including the stream spray angle and correction angle between the vision line of targeting detector and the elevation line of RFM, so that notwithstanding of the distance to fire area the diameter of FEA stream spot that contacts with the object to be protected shall be kept unchanged.
Coverage curves for high-angled or frontal streams depend on stream angle of attack 9 to the protected surface.
In actual practice, RFM provides space protection in the horizontal plane within about 360°. Curve of coverage of the protected surface by RFM stream at the angle of attack 9 = 90° is a circle, and in other cases — an ellipse, and the smaller is the angle of attack 9, the more elongated will be the ellipse.
The number of scanning lines is determined depending on the size of FEA spot that contacts with the surface to be protected and the height of area to be protected.
view; b—top view; 1 — fire load; 2—support; B—room width; H—height of RFM installation; h — distance between top surface of fire load along axis Z and RFM rotation axis; L — distance between RFMs along axis X; L1, L2 — distance between the center of top surface of fire load along Xaxis and RFM 1 and RFM 2 respectively; Ribeg, Rlend, R-2beg, R-2end — conventional axes of straight stream or FEA sprayed stream at the beginning and end of scanning cycle of RFM 1 and RFM 2 respectively; Ref — efficient range of FEA stream; x, y, z — length, width and height of fire load; 91Z, 92Z — angle of attack of straight stream or FEA sprayed stream along the axis Z of RFM 1 and RFM 2 respectively; 91X, 92X — angle of attack of straight stream or FEA sprayed stream along the axis X of RFM 1 or RFM 2 respectively; ®1, ®2 — scanning angle range of RFM 1 and RFM 2 respectively; A1 — actual coverage angle range for RFM 1; Y12 — Y axial distance between center of fire load and RFM 1, RFM 2
Based on different RFM positioning schemes at Fig. 8-11*, the sighting of targeting detector to fire area and the elevation of RFM have different angular three-dimensional positioning. To simplify and reduce wordage
RFM 2
Fig. 15. RFMs positioning with respect to class B fire area (extended rectangular tray) if they are located at opposite sides and in case of scanning streams: a — side view; b — top view; 1 — fire load (extended rectangular tray); 2 — support; B — room width; H — height of RFM installation; h — distance between face of liquid fuel along axis Z and RFM rotation axis; L1, L2 — distance between the center of tray with liquid fuel and RFM 1 and RFM 2 respectively; R^g, Rw, R2beg, R2end — conventional axes of straight stream or FEA sprayed stream at the beginning and end of scanning cycle of RFM 1 and RFM 2 respectively; Y1 — distance between RFM 1 and center of fire load along axis Y; f — height of tray side walls; x, y — length and width of tray; ®1, ®2 — scanning angle range of RFM 1 and RFM 2 respectively; A1 — actual coverage angle range for RFM 1
Based on the results of measurements of stream spot, the coverage both inside the circle and inside the ellipse is uneven. The enough concentrated area with satisfactory coverage intensity is located at a distance of about 90 % of the maximum range (the far drops). The distance to this area is considered to be effective range. Stream spot area where 70 % of the supplied water falls dawn is the efficient coverage area. When stream vibrating, oscillating, or scanning, the coverage becomes more uniform. The effective area of coverage spot shall be taken into account when programming coverage mode subject to stream range.
* See the beginning of this article: L. M. Meshman, V. A. Bylinkin, Yu. I. Gorban, M. Yu. Gorban, K. Yu. Fokicheva. Actual problems of navigation to the fire robotic trunks in robotic fire extinguishing system. Part 1. Background to the establishment of RFS and specific characteristics of the fire fighting RFM. Pozharovzryvobez-opasnost/Fire and Explosion Safety, 2019, vol. 28, no. 3,pp. 70-88 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2019.28.03.70-88.
of material, streams contact with surface of fire load is any further considered in one plane.
2. Operating programs for RFMs used for fire suppression with static streams
2.1. Static streams positioned to the front surface (6 « 90°)
Maximum allowable fire area for static streams (9 « 90°) is calculated based on circle area Sc, that is resulted from stream or sprayed FEA contact with object to be protected.
In this case, the RFM program targets monitor by one of the following ways, based on positioning inaccuracy angle a and the dead zone angle of targeting detector P:
• under flame edge so that the lower flame edge is entirely within the contact spot of stream and surface to be protected (Fig. 16,a);
• to flame center so that the area to be protected being in fire, is entirely within the contact spot of stream and surface to be protected (Fig. 16,b).
At the same time, in all cases, the RFM operating program provides the FEA stream targeting to the fire area by:
• analyzing FEA pressure and if it changes the program changes the ballistics with respect to the vertical targeting angle (elevation angle) of monitor outlet nozzle depending on the distance to fire area and FEA pressure;
• selecting the FEA spray angle depending on the distance from RFM to fire area.
In Fig. 16,a and 16,b, the range of coverage angles, with regard to FEA spreading in horizontal direction over the protected surface, is equal to actual range of coverage angles a = A. Let us assume that in this case the RFM program, taking into account the angle of positioning inaccuracy a and dead zone angle of targeting detector P, positions RFM to the axis of BB1 flame and determines, depending on the distance to fire area, the required FEA stream diameter Dstr at the moment of its contact with fire surface, wherein stream diameter is bigger than flame length, i. e. Dstr > L^. When RFM targeting to fire area, its monitor can move not only in
^contact ^cover
Fig. 16. Curve of frontal surface coverage with static stream with an angle of attack of 9 » 90° during its targeting: a — under flame edge; b — to flame center; 1 — flame; 2 — coverage area at the moment of stream contact with surface to be protected; 3 — additional area covered due to FEA flowing down in vertical direction; 4—RFM; Dstr — stream diameter at the moment of its contact with the pro-
tected surface; La
= Lcover = AC—the length of contact and coverage area when FEA contacts with protected surface; Lf — flame
length; Y' — is the distance along the Y axis to the center of the flame
horizontal direction — from left to right or right to left, but also simultaneously in vertical direction — from up to down or from down to up.
If stream is supposed to be sighted along the axis of registered BB1 fire area and it is not beyond the area of stream contact with the ABC surface, and the angle X is not bigger than angle A, then static frontal stream provides the fire extinguishing. In this case, the contact spot of stream and covered surface have the following parameters: • contact spot:
a) in angular coordinates (hereinafter: for simplicity of description angular coordinates was taken only along axis X):
A>X = у + 2a + 2P;
(1)
b) in linear dimensions (hereinafter: if R >> Dstr (where R — stream operating range) we take curve area L to be straight):
Lcontact Dstr = AC =
(2a)
= 2R tg (A/2) > 2R tg (y/2 + a + P) or LCOn,act *nAR/180 «AR/57.3; (2b)
c) area
S contact =nDl/4 = 0.785Di ; (3)
• coverage area:
a) in angular coordinates:
A>X = y + 2a + 2P;
b) in linear dimensions:
Lcover Dstr = AC =
(4)
(5a)
= 2R tg (A/2) > 2R tg (y/2 + a + P) or LCoVer ~ AR/57.3; (5b)
c) coverage square area:
Scover = Scontact > g^ + Y Dstr = ^"g + Y j Dstr . (6)
It is assumed that, firstly, coverage intensity in SCover
area is not lower than in Sc
. circle, since FEA after
contact with the vertical surface flows down along the Y axis; secondly, intensity and uniformity of coverage are within Y «(1.0^2.0) Dstr. When Y = 0.5Dstr, i.e. with coverage area limited by height BB1 = D ~ Dstr, we have:
Scover Scf
nDi
8
= 1-8 + 0.5^ D]tr:
0.5D2tr =
0.89D2
Whereby coverage intensity is within the limits of circle area of diameter Dstr (see Fig. 16,a) and shall correspond to GOSTR 51043-2002 and SP 5.13130.2009 [40]).
If fire area is beyond the contact spot of stream and surface Sabcbi ,
i. e. the angle X is bigger than angle A, then conditions (4)-(6) are not fulfilled and the fire cannot be extinguished by static stream, so to extinguish fire it is necessary to increase stream diameter Dstr, or use line scanning.
2.2. Static streams targeted at an angle to frontal surface (0 < 6 <90°)
For static streams targeted at an angle to frontal surface (0 < 9 < 90°), the maximum permissible fire area is initially estimated based on ellipse area Se generated when stream or FEA sprayed stream contact with the object to be protected.
As in the previous case, the RFM program positions monitor by one of the following ways, based on positioning inaccuracy angle a and the dead zone angle of targeting detector P:
• under flame edge so that the lower flame edge is entirely within the contact spot of stream and surface to be protected (Fig. 17,a);
• to flame center so that the area to be protected being in fire, is in coverage area along FEA contact ellipse axis (alignment of vertical flame axis with contact ellipse small axis) (Fig. 17,b).
At the moment of contact between straight stream or FEA sprayed stream with a diameter Dstr and burning area, there appear a contact area in the form of ellipse
Scontact (ABCB1A) , which provides the overlapping of fire
area.
The smaller is the angle of attack 9, the larger is the areaof ellipse Scontact (ABCBlA) and at a constant flow rate the less is coverage intensity. Since FEA stream will slide by inertia along coverage surface in the direction of its supply (along the X axis), the coverage intensity in the middle of ellipse will not change in a certain area of semi-ellipse BDB1.
It is assumed that, in comparison with coverage intensity in the area of stream direct contact with surface, the coverage intensity in area located along the direction of FEA stream at a certain distance from the boundary of stream contact with covered surface at angle of attack 9 from 0 to 90° varies from maximum to minimum, and vice versa, in a certain area located below the coverage line — from minimum to maximum (i. e., coverage intensity corresponding to intensity in contact area of stream and surface).
At a certain angle of attack 9, the length of additional coverage area CD may be in excess of positioning inaccuracy a2 and the dead zone P2 of targeting detector. In this case, the stream diameter Dstr may even be taken somewhat less than flame width, therefore at a small angle of attack only the angle of targeting inaccuracy a1 and dead zone angle P1 of targeting detector can be considered.
Fig. 17. Coverage curve of a flat surface with a static sliding stream with an angle ofattack(0< 9 <90°) during its targeting: a—under flame edge; b—to flame center; 1 — flame; 2 — coverage area at the moment of FEA contact with surface to be protected; 3—additional area ASh, covered due to FEA spreading in horizontal direction; 4 — RFM; 5 — additional area ASv_fo covered due to FEA spreading in vertical and horizontal directions; Lcover = AD — coverage length, taking into account FEA spreading in horizontal direction
However, at higher angle of attack 9 the area of stream contact spot with surface ABCB1A is smaller, the additional coverage area of ABDB1A is also reduced and more of FEA flows down in vertical plane. Therefore, at a high angle of attack angle of positioning inaccuracy shall be considered and dead zone angle of targeting detector on both sides of flame, i. e.,both(a1 + P1) and (a2 + p2).
If stream is supposed to be sighted along the axis of registered flame and fire area is within area of stream contact with the Scontact = ABCB1A surface, and the angle X is not bigger than angle A, then static stream with 9 angle of attack to frontal surface provides the fire extin-
guishing. In this case (at R >> Dstr), and let's say at a small angle of attack the contact spot of stream and surface at quasi-constant rate of coverage and coverage area have the following parameters: • contact spot:
a) in angular coordinates: at 9 <45°:
A > X = (y + a1 + P1); (7a)
at 9 > 45°:
A > X = (y + a1 + P1 + a2 + P2); (7b)
b) in linear dimensions:
Lcontact = AC = Dslr /sin 9; (8)
c) coverage square area:
Scontact = л • AC • BB1/4 = nDi/4 • sin 9; (9)
• coverage area:
a) in angular coordinates:
a = A + 5;
b) in linear dimensions:
(10)
(11b)
(11c)
Lcover = AD = (AC + CD)Dstr /sin 9; (11a) at 9 <45°:
Lcover * (A + 5)R/57.3 > > (5 + y + «1 + POR/57.3; at 9 > 45°:
Lcover * (A + 5)R/57.3 > > (5 + y + «1 + Pi + a2 + p2)R/57.3;
c) coverage square area:
Scover * Scontact + ASh + ASv = (12)
= O.5 (Scontact + AShBDD1 ) + ASvADD1A1 .
If fire area is beyond area ABDB1A and angle X — bigger than angle a, i. e. conditions (10)—(12) are not fulfilled, the fire cannot be extinguished by static stream. So to extinguish fire it is necessary to increase stream diameter Dstr (as well as to increase flow rate to provide coverage intensity) or use line scanning (by increasing flow rate).
Similar rules are reasonable for static high-angled stream.
If the protected area is covered with static highangled or frontal stream (without RFM scanning), calculation of RFM flow rate required to extinguish fire is
simplified: coverage intensity and flow rate are taken according to GOST R 51043-2002 and SP 5 [40]. While also, the operating program shall provide quasi-constant area of FEA contact spot with the protected surface (regardless distance from RFM to the protected surface) by adjusting the stream opening angle.
RFM flowrate Q (l/m2) for static frontal stream that is supplied at angle to frontal surface or high-angled stream shall be calculated as follows:
Q = KiScontact /sin 9 = KiSc
(13)
where K — flow rate ratio; K = 1,2+1,3;
i—rated coverage intensity according to SP 5 [40], l/(sec-m2).
Contact spot area of stream with surface in a form of full-circle at 9 = 90° shall be calculated as Scontactc =
= Dr 14 in a form of ellipse at 90° — as Scontact.e =
= nDlJ (4 sin 9).
As much as Scover increases when compared to Scontact , as much FEA flow rate shall be increased. It is necessary to take this factor into account when designing the RFSS and when determining the distance between RFM that are part of RFSS, and try to adjust the angle of attack 9 of each RFM as high as possible.
Conclusions
In practice, static streams are not often used in RFSS. However, the concepts introduced and the calculations given are essential for scanning streams that are widely used in RFSS directly for fire extinguishing, and they will be mentioned in the next final chapter.
To be continued
REFERENCES
1. Shanee Honig, Tal Oron-Gilad. Understanding and resolving failures in human-robot interaction: Literature review and model development. Frontiers in Psychology, 2018, vol. 9, article no. 861. 21 p. DOI: 10.3389/fpsyg.2018.00861.
2. Analiticheskoye issledovaniye: mirovoy rynok robototekhniki [Analytical study: robotic technologies world market]. Moscow, Russian Association of Robotics Publ., 2016.157 p. (in Russian). Available at: http://robotforum.ru/ assets/files/000_News/NAURR-Analiticheskoe-issledovanie-mirovogo-rinka-robototehniki-%28yanvar-2016%29.pdf (Accessed 5 January 2019).
3. G. E. Marchant, B. Allenby, R. C. Arkin, J. Borenstein, L. M. Gaudet, O. Kittrie, P. Lin, G. R. Lucas, R. O'Meara, J. Silberman. International governance of autonomous military robots. In: K. P. Valavanis, G. J. Vachtsevanos (eds). Handbook of unmanned aerial vehicles. Dordrecht, Springer, 2015, pp. 2879-2910. DOI: 10.1007/978-90-481-9707-1_102.
4. Michael M0ller. UN meeting targets 'killer robots'. UN News, 14 May 2014. Available at: http://www.un.org/apps/news/story.asp?NewsID=47794 (Accessed 7 January 2019).
5. M. L. Cummings. Unmanned robotics and new warfare: a pilot/professor's perspective. Harvard National Security Journal, 24 March2010. Available at: http://harvardnsj.org/2010/03/unmanned-robo-tics-new-warfare-a-pilotprofessors-perspective/ (Accessed 7 January 2019).
6. 11 police robots patrolling around the world. Wired,24 July 2016. Availableat: https://www.wired.com/ 2016/07/11-police-robots-patrolling-around-world/ (Accessed 5 January 2019).
7. Aleksey Boyko (ABloud). Catalog offirefighting robots. Firefighting robots. Robotic technologies for firefighting (in Russian). Available at: http://robotrends.ru/robopedia/katalog-pozharnyh-robotov (Accessed 5 January 2019).
8. Chee Fai Tan, S. M. Liew, M. R. Alkahari, S. S. S. Ranjit, M. R. Said, W. Chen, G. W. M. Rauterberg, D. Sivakumar, Sivarao. Fire fighting mobile robot: state of the art and recent development. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2013, vol. 7, no. 10, pp. 220-230.
9. Fire robots andfire robots technology. Product catalogue 2015-2016. Petrozavodsk, "FR" Engineering Centre of Fire Robots Technology, LLC. Publ., 2017.23 p. Available at: http://www.russchinatra-de.ru/assets/files/ru-offer/FR%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9B%AE%E5%BD%952015 %E8%8B%B1%E6%96%87%E7%89%88.pdf (Accessed 20 December 2018).
10. Industrial robots — types and varieties. Robotic technologies, 3D printers. Top 3D company blog (in Russian). Available at: https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/403323/ (Accessed 25 December 2018).
11. Tony Melanson. What Industry 4.0 means for manufacturers. Available at: https://aethon.com/mobile-robots-and-industry4-0/ (Accessed 5 January 2019).
12. Catalog of robotic transport solutions. Transport and robots. Foreign solutions (in Russian). Available at: http://robotrends.ru/robopedia/katalog-resheniy-robotizirovannogo-transporta (Accessed 10 January 2019).
13. Alexander Ruggiero, Sebastian Salvo, Chase St. Laurent. Robotics in construction. IQP Final Report 3/24/2016. Massport, 2016. 78 p. Available at: http://web.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-pro-ject-032316-150233/unrestricted/FinalReport.pdf (Accessed 10 January 2019).
14. Robots in Agriculture. Available at: http://www.intorobotics.com/35-robots-in-agriculture/ (Accessed 5 January 2019).
15. Juan Jesús Roldán, Jaime del Cerro, David Garzón Ramos, Pablo Garcia Aunon, Mario Garzón, Jorge de León, Antonio Barrientos. Robots in agriculture: State of art and practical experiences. In: Rolf Dieter Schraft, Gernot Schmierer. Service Robots. New York, A K Peters / CRC Press, 2018. 228 p. DOI: 10.5772/intechopen.69874.
16. E. van Oost, D. Reed. Towards a sociological understanding ofrobots as companions. In: M. H. Lamers, F. J. Verbeek (eds). Human-Robot Personal Relationships. HRPR 2010. Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering. Heidelberg, Springer, pp. 11-18. DOI: 10.1007/978-3-642-19385-9_2.
17. A. vanderPlas, M. Smits, C. Wehrmann. Beyond speculative robot ethics: a vision assessment study on the future of the robotic caretaker. Accountability in Research, 2010, vol. 17, issue 6, pp. 299-315. DOI: 10.1080/08989621.2010.524078.
18. A. van Wynsberghe. Designing robots for care: care centered value-sensitive design. Science and Engineering Ethics, 2013, vol. 19, issue 2, pp. 407-433. DOI: 10.1007/s11948-011-9343-6.
19. P. Robinette, A. Howard, A. R. Wagner. Conceptualizing overtrust in robots: why do people trust a robot that previously failed? In: W. F. Lawless, R. Mittu, D. Sofge, S. Russell (eds). Autonomy and artificial intelligence: a threat or savior? Cham, Springer, 2017, pp. 129-155. DOI: 10.1007/978-3-319-59719-5_6.
20. V. Efanov, M. Martynov, K. Pichkhadze. Space robots for scientific research. Nauka vRossii / Science in Russia, 2012, no. 1, pp. 4-11 (in Russian).
21. L. Royakkers, R. van Est. A literature review on new robotics: automation from love to war. International Journal of Social Robotics, 2015, vol. 7, issue 5, pp. 549-570. DOI: 10.1007/s12369-015-0295-x.
22. S. Honig, T. Oron-Gilad. Understanding and resolving failures in human-robot interaction: Literature review and model development. Frontiers in Psychology, 2018, vol. 9. DOI: 10.3389/fpsyg.2018.00861.
23. Automatic system with self-targeting of fire extinguishing agents onto the fire source. Pozharnoye delo / Fire Business, 1970, no. 2, p. 257 (in Russian).
24. A. I. Veselov, M. G. Abdeev, P. G. Balagin. A device for targeting of a fire extinguishing stream onto the fire source. Inventor's Certificate USSR, no. 257300, publ. date 11 November 1969, Bull. 35 (in Russian).
25. L. M. Meshman. A device for targeting of a fire extinguishing stream onto the fire source. Inventor's Certificate USSR, no. 370950, publ. date 22 November 1973, Bull. 12 (in Russian).
26. A. I. Veselov, L. M. Meshman. Avtomaticheskaya pozharo- i vzryvozashchita predpriyatiy khimiche-skoy i neftekhimicheskoy promyshlennosti [Automatic fire and explosion safety of the chemical and petrochemical plants]. Moscow, Khimiya Publ., 1975. 280 p. (in Russian).
27. A. I. Weselow, L. M. Meschman. Automatischer brand- und explosionschutz. Berlin, Staatsverlag DDR, 1979. 200 sec. (in Germany).
28. N. L. Popov, Yu. I. Gorban. Fire robots. Pozharnoye delo / Fire Business, 1986, no. 7, pp. 20-21 (in Russian).
80| POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2019 VOL. 28 No. 4
29. L. M. Meshman, S. N. Vereshchagin. Sovremennayapozharnaya robototekhnika: obzornaya informa-tsiya [Modern fire robotics: Overview]. Moscow, Main Information Center of the Ministry of Internal Affairs USSR Publ., 1988. 42 p. (in Russian).
30. L. M. Meshman, V. V. Pivovarov, A. V. Gomozov, S. N. Vereshchagin. Pozharnaya robototekhnika. Sostoyaniye iperspektivy ispolzovaniya: obzornaya informatsiya [Fire robotics. State and prospects of use: Overview]. Moscow, VNIIPO Publ., 1992. 82 p. (in Russian).
31. L. M. Meshman, S. N. Vereshchagin, S. M. Shirokov, V. I. Aldonyasov. Ballistics of scanning streams. In: Pozharnaya tekhnika i tusheniye pozharov [Fire equipment and fire extinguishing]. Moscow, VNIIPO Publ., 1990, pp. 61-66 (in Russian).
32. Fire Safety Standards 84-2000. Water andfoam fire extinguishing installations robotics. General technical requirements. Test methods (in Russian). Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200016071 (Accessed 10 January 2019).
33. Technical regulations for fire safety requirements. Federal Law on 22.07.2008 No. 123 (ed. on29.07.2017) (inRussian). Available at: http://docs.cntd.ru/document/902111644 (Accessed25 December 2018).
34. FM 142.1. Approval Standardfor Fire Protection Monitor Assemblies. FM Approvals LLC, 2018.28 p.
35. G. Jensen. Fire fighting systems: Comparison ofperformances of interior and exterior applications at large wood buildings. KA PROJECT. Test report A075349. Final. Trondheim, COWI AS, 2018. 26 p. (in Norwegian).
36. Yu. I. Gorban. An automated fire-fighting complex integrating a television system. European patent 2599525B, publ. date 30 December 2015, Bull. 53.
37. Yu. I. Gorban. Fire robots. Industrial Fire Journal, 2016, no. 103, pp. 12-13.
38. Yu. I. Gorban. Robotizedfire complex on basis of mini-fire robot-irrigators with remote access system. Patent RU, no. 2677622, publ. date 17 January 2019, Bull. 2 (in Russian).
39. Yu. I. Gorban. Pozharnyye roboty i stvolnaya tekhnika v pozharnoy avtomatike i pozharnoy okhrane [Firefighting robots, fire monitors andhandline nozzles in fire automatics and fire protection]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2013. 352 p. (in Russian).
40. Set of rules 5.13130.2009. Systems of fire protection. Automatic fire-extinguishing and alarm systems. Designing and regulations rules (in Russian). Available at: http://base.garant.ru/195658/ (Accessed 15 December 2018).
41. VNPB 39-16 (STO 1682.0017-2015). Robotic fire suppression system. Design rules and regulations. Moscow, VNIIPO Publ., 2016. 84 p. (in Russian).
Received 12 January 2019; received in revised form 20 February 2019; accepted 22 February 2019
Information about the authors
Leonid M. MESHMAN, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Leading Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow Region, Russian Federation
Vladimir A. BYLINKIN, Cand. Sci. (Eng.), Head of Department, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow Region, Russian Federation; ORCID: 0000-0002-4034-2510; Scopus Author ID: 6506544327; e-mail: [email protected]
Yuriy I. GORBAN, General Director, Engineering Centre of Fire Robots Technology "FR" LLC, Petrozavodsk, Republic of Karelia, Russian Federation; ORCID: 0000-0002-4452-6798; e-mail: [email protected]
Mikhail Yu. GORBAN, Technical Director - Chief Project Engineer, Engineering Centre of Fire Robots Technology "FR" LLC, Petrozavodsk, Republic of Karelia, Russian Federation; ORCID: 0000-0001-9191-426X; e-mail: [email protected]
Kristina Yu. FOKICHEVA, Lead Design Engineer, Engineering Centre of Fire Robots Technology "FR" LLC, Petrozavodsk, Republic of Karelia, Russian Federation; ORCID: 0000-0003-2850-7324; e-mail: [email protected]
