摘要：為提高FM-200氣體滅火組合分配系統(tǒng)鋼瓶選型快速性、全面性。搭建了滅火劑設(shè)計(jì)用量及鋼瓶選型數(shù)學(xué)模型，基于枚舉算法，通過(guò)C++語(yǔ)言編制程序，實(shí)現(xiàn)FM-200氣體滅火組合分配系統(tǒng)鋼瓶自動(dòng)選型設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)試湊法相比，枚舉算法可找出各個(gè)防護(hù)區(qū)滿足約束條件的所有鋼瓶數(shù)及藥劑量充裝范圍；并且，在鋼瓶型號(hào)確定下，枚舉算法可以確定整個(gè)防護(hù)區(qū)所需鋼瓶最小值及鋼瓶充裝量最小值，此結(jié)果為造價(jià)最低的一組結(jié)果。
關(guān)鍵詞：七氟丙烷鋼瓶；滅火劑用量；枚舉算法；
作者簡(jiǎn)介：田薔薔 上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司
七氟丙烷（FM-200）氣體滅火具有較高的滅火效率和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多場(chǎng)所需要使用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)[1]。FM-200組合分配系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)予考慮的問(wèn)題就是FM-200藥劑量及鋼瓶選型問(wèn)題，鋼瓶型號(hào)、數(shù)量及藥劑量的確定，對(duì)FM-200布置及經(jīng)濟(jì)性起到至關(guān)重要的作用。
從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)內(nèi)在FM-200程序化鋼瓶選型設(shè)計(jì)方面的研究工作較少。在FM-200鋼瓶選型設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往采用excel表格通過(guò)反復(fù)試算對(duì)防護(hù)區(qū)鋼瓶進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，這種方法效率較低，且在鋼瓶型號(hào)確定下，得出的設(shè)計(jì)方案所確定的鋼瓶數(shù)量及藥劑量很難是最小值，從而造成項(xiàng)目成本偏高。且七氟丙烷氣體消防組合分配系統(tǒng)鋼瓶選型計(jì)算過(guò)程繁瑣，各個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)息息相關(guān)，一個(gè)數(shù)據(jù)的改變都需要重新校核計(jì)算結(jié)果，即使設(shè)計(jì)人員通過(guò)反復(fù)試算得出方案，但也很難得出所有滿足條件的方案，造成方案設(shè)計(jì)片面性。
雖然FM-200組合分配系統(tǒng)計(jì)算量較大，但組合分配系統(tǒng)的每個(gè)防護(hù)區(qū)滅火劑用量能夠通過(guò)數(shù)學(xué)公式準(zhǔn)確計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)鋼瓶型號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)系列，且每個(gè)鋼瓶藥劑充裝量在實(shí)際使用過(guò)程中都有一定限制，且滿足一定約束條件。因此在鋼瓶型號(hào)確定下，通過(guò)從大到小遍歷鋼瓶藥劑量，可以全面找出滿足各個(gè)約束條件的方案。枚舉算法是我們?cè)谌粘Ｖ惺褂玫降淖疃嗟囊粋€(gè)算法，它的核心思想就是枚舉所有的可能。枚舉算法簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確且全面，在局部地方使用枚舉法，效果十分的好。因此可以將枚舉算法運(yùn)用于FM-200組合分配鋼瓶選型設(shè)計(jì)中。
針對(duì)FM-200組合分配系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文采用枚舉算法，運(yùn)用C++程序化語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)七氟丙烷氣體滅鋼瓶選型設(shè)計(jì)，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)算法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。
一、滅火劑設(shè)計(jì)用量計(jì)算
記region_r 為第r個(gè)防護(hù)區(qū)域，則防護(hù)區(qū)r滅火劑設(shè)計(jì)用量可由式（1）計(jì)算，防護(hù)區(qū)實(shí)際應(yīng)用的濃度不應(yīng)該大于滅火設(shè)計(jì)濃度的1.1倍[2]。
式中，Wr為防護(hù)區(qū)r滅火劑設(shè)計(jì)用量，kg；Wrmax為防護(hù)區(qū)r滅火劑最大用量，kg；Vr為防護(hù)區(qū)凈容積，單位為m3；K為海拔高度修正系數(shù)；Cr為防護(hù)區(qū)r七氟丙烷滅火設(shè)計(jì)濃度，（%）；S為七氟丙烷過(guò)熱蒸汽在101KPa大氣壓和防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度下的質(zhì)量體積（m?/kg）；Tr為防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度，（℃）；
二、鋼瓶選型計(jì)算
?。ㄒ唬┐_定目標(biāo)函數(shù)
（1）本文希望得到七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在特定型號(hào)鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶Nrj和Nj的全部組合，并得到所需鋼瓶數(shù)最小值Nj及鋼瓶充裝藥劑量最小值。
組合分配系統(tǒng)的滅火劑儲(chǔ)存量，應(yīng)按儲(chǔ)存量最大的防護(hù)區(qū)確定[2]，同一集流管上的儲(chǔ)存容器，其規(guī)格、充裝壓力和充裝量應(yīng)相同[2]。Nrj和Nj可通過(guò)以下數(shù)學(xué)原理公式得出，其中式（4）需滿足條件（5）。
式中，Nrj為防護(hù)區(qū)r在特定型號(hào)鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數(shù)；Nj為整個(gè)防護(hù)區(qū)在特定型號(hào)鋼瓶HFCVj下所需總鋼瓶數(shù)；ceil（指定表達(dá)式）功能為返回大于或等于指定表達(dá)式的最小整數(shù)；floor（指定表達(dá)式）功能為返回小于或等于指定表達(dá)式的最小整數(shù)；wji為防護(hù)區(qū)r采用鋼瓶HFCVj時(shí)，單只鋼瓶滅火劑有效充裝量，kg；HFCVj 為第j個(gè)型號(hào)的鋼瓶的容量，鋼瓶型號(hào)一般取值為40L、68L、70L、90L、100L、120L、180L等；
?。ǘ┳宰兞康淖兓瘏^(qū)間
本文希望防護(hù)區(qū)在Nrj和Nj確定后，找到每個(gè)鋼瓶充裝藥劑量的最小值和最大值，則wji滿足以下約束條件。
式中，ρmin，ρmax 分別為鋼瓶的最小和最大裝劑量密度，分別取值為0.65和0.95（可根據(jù)不同廠家取值進(jìn)行調(diào)整），單位為kg/L；wjre為第j種規(guī)格鋼瓶的儲(chǔ)存容器內(nèi)的滅火劑剩余量和管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量平均到每個(gè)鋼瓶后之和[2]，單位為kg；
三、用枚舉算法實(shí)現(xiàn)FM-200鋼瓶選型設(shè)計(jì)
對(duì)于每一個(gè)型號(hào)的鋼瓶 HFCVj計(jì)算過(guò)程，枚舉查找算法計(jì)算流程如圖1所示，步驟如下：
?。?）根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算每個(gè)防護(hù)區(qū)的滅火劑設(shè)計(jì)用量和最大用量。
?。?）根據(jù)式（8）計(jì)算確當(dāng)前鋼瓶HFCVj的最小最大裝劑量；
（3）從大到小遍歷 [wjmin-wjre，wjmax-wjre]，記為wji；這里i=1,2,…,n；wj1= wjmax-wjre，wj（i+1）= wji-wre，這里wre取值為0.001。
因算法是在每一個(gè)型號(hào)鋼瓶確定時(shí)，對(duì)于每個(gè)防護(hù)區(qū)遍歷鋼瓶藥劑量是從最大量開(kāi)始遍歷，所以滿足各個(gè)約束條件的第一個(gè)解，就是七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在特定型號(hào)鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數(shù)最小值Nrj和Nj。
（4）如果wji不滿足式（7），則j=j+1，重復(fù)步驟（2），如果wji滿足式（7），執(zhí)行步驟（5）。
?。?）根據(jù)式（4）和（5），計(jì)算在wji下，防護(hù)區(qū)r需要的瓶數(shù)Nrj。
若存在一個(gè)防護(hù)區(qū)，找不到滿足條件的鋼瓶數(shù)，則回到步驟（3）取下一個(gè)劑量，執(zhí)行步驟（4），直到尋找到第一個(gè)滿足條件的wji及鋼瓶數(shù)值Nrj，取Nj=max{N1j，N2j，… Nnj}，第一個(gè)滿足條件的Nrj和Nj，wji 即是一個(gè)滿足約束條件的解，且這組解就是七氟丙烷組合分配系統(tǒng)在特定型號(hào)鋼瓶HFCVj下所需鋼瓶數(shù)最小值Nrj和Nj，第一個(gè)滿足條件的wji為鋼瓶充裝藥劑量最大值記為wjCMAX。
?。?）繼續(xù)重復(fù)步驟（3），取下一個(gè)劑量，如果wji不滿足式（7），則j=j+1，執(zhí)行步驟（2），如果wji滿足式（7），根據(jù)式（4）和（5），計(jì)算在當(dāng)前wji下，防護(hù)區(qū)r需要的瓶數(shù)Nrj，如果Nrj取值沒(méi)改變，wjCMIN=wji, 則反復(fù)重復(fù)步驟（3），如果wji不滿足式（7），則j=j+1，執(zhí)行步驟（2），如果wji滿足式（7），根據(jù)式（4）和（5），計(jì)算在當(dāng)前wji下，防護(hù)區(qū)r需要的瓶數(shù)Nrj，直到wji的取值使Nrj變化為止，當(dāng)前Nrj為新一組解，當(dāng)前wji為新一組解藥劑瓶充裝量最大值記當(dāng)前wjCMAX=wji。
?。?）繼續(xù)重復(fù)步驟（6）找出滿足約束條件的所有解，每組解中包含鋼瓶容量，各個(gè)防護(hù)區(qū)鋼瓶數(shù)量，防護(hù)區(qū)總鋼瓶數(shù)量及單個(gè)鋼瓶有效充裝量范圍及實(shí)際充裝量范圍。
四、案例分析
為了說(shuō)明所提出的方法，本文給出一計(jì)算案例。國(guó)家海洋局舟山潮流能示范工程建設(shè)項(xiàng)目海上升壓平臺(tái)主要設(shè)備房共兩層，1層布置消防控制室、液壓系統(tǒng)及潤(rùn)滑、變流器柜、控制柜、測(cè)試柜、電池柜、配電柜等設(shè)備；2層電氣間布置變壓器柜、綜合監(jiān)控柜、蓄電池柜、饋電柜、進(jìn)線柜、柴油發(fā)電機(jī)等設(shè)備，其中柴油發(fā)電機(jī)與其他電氣設(shè)備在二層不同房間內(nèi)。
海上升壓平臺(tái)采用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)對(duì)防護(hù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)，防護(hù)區(qū)分別為：一層設(shè)備間、二層設(shè)備間、二層柴發(fā)室。防護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)濃度Cr取值為9%；防護(hù)區(qū)最低環(huán)境溫度為5℃；海拔修正系數(shù)K取值為1；單個(gè)鋼瓶?jī)?nèi)的滅火劑剩余量和管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量平均到每個(gè)鋼瓶后之和0.3kg；根據(jù)公式（1）和公式（2）得出防護(hù)區(qū)滅火劑用量見(jiàn)表1。工程現(xiàn)狀采用excel手工試算法進(jìn)行鋼瓶選型，方案見(jiàn)表2。
（一）手工算法選型方案
鋼瓶規(guī)格為68L或者70L，系統(tǒng)所需鋼瓶數(shù)量為8，每個(gè)鋼瓶充裝藥劑量為50kg，各個(gè)防護(hù)區(qū)所需鋼瓶數(shù)及滅火劑用量見(jiàn)表2。
?。ǘ┟杜e算法方案
采用枚舉算法共得出7種方案，所有方案鋼瓶數(shù)及單瓶充裝量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，方案具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
由表3可知手動(dòng)算法可以求解出防護(hù)區(qū)需要鋼瓶數(shù)，但手動(dòng)算法需要經(jīng)過(guò)大量試算，且手動(dòng)算法僅僅只可以求解出鋼瓶數(shù)量，但不能夠精確求解出每個(gè)鋼瓶充裝量的范圍。
由表4可知，枚舉算法可以求解出所有滿足條件的解，方案覆蓋面全，對(duì)于任何一種滿足約束條件的解，可以得出每種類型鋼瓶充裝量區(qū)間及對(duì)應(yīng)實(shí)際滅火濃度范圍，極大提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。
采用本文提出的方法，防護(hù)區(qū)若選用70L或68L鋼瓶，所需最小鋼瓶數(shù)量為7瓶，最小藥劑量為379kg；手動(dòng)算法則需要8瓶，藥劑量為400kg，與手動(dòng)算法相比，本文算法可以找到最經(jīng)濟(jì)的方案。
五、結(jié)語(yǔ)
?。?）采用枚舉算法進(jìn)行FM-200氣體滅火鋼瓶選型設(shè)計(jì)，可以快速準(zhǔn)確得出全部的鋼瓶選型設(shè)計(jì)方案，有利于設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面分析與評(píng)價(jià)。
?。?）枚舉算法能找到各個(gè)防護(hù)區(qū)在特定型號(hào)鋼瓶下，符合約束條件的鋼瓶數(shù)量最小值及鋼瓶充裝量最小值，此結(jié)果為造價(jià)最低即最優(yōu)的一組結(jié)果。
?。?）枚舉算法應(yīng)用在FM-200組合分配系統(tǒng)鋼瓶選型設(shè)計(jì)中顯示了高效可靠的特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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