張延澤，肖凱濤，宋偉偉，秦 健，遲 卉，黃瑞源

(1.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 210094；2.福州大學(xué) 土木學(xué)院，福州 350000；3.防化研究院，北京 102205；4.海軍研究院，北京 100161)

鑒于恐怖暴亂活動(dòng)日顯猖獗，嚴(yán)重影響國(guó)家的政治穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，目前反恐防暴已經(jīng)成為一項(xiàng)嚴(yán)峻、迫切、長(zhǎng)久、持續(xù)的特殊任務(wù)。能否確保對(duì)室內(nèi)非法集結(jié)及恐怖暴亂形勢(shì)進(jìn)行迅速、有效地控制，并能最大程度上減少人員傷亡，需要警務(wù)人員在執(zhí)行不同級(jí)別制亂任務(wù)時(shí)，使用不同類型的反恐防暴裝備[1-4]。刺激劑防暴彈是反恐防暴中一種常用武器，警務(wù)人員在處置突發(fā)事件和反恐防暴中，根據(jù)特定情況需要，會(huì)向室內(nèi)或者相對(duì)密閉的空間內(nèi)以爆炸式防暴彈形式施放刺激劑，用以震懾控制恐怖暴亂分子。對(duì)刺激劑防暴彈室內(nèi)爆炸擴(kuò)散的威力效能進(jìn)行評(píng)估能夠?yàn)樵撐淦鞯暮侠硎褂锰峁├碚撘罁?jù)。

刺激劑具有達(dá)到戰(zhàn)斗濃度的藥劑用量少、癥狀出現(xiàn)和消失快、具有很高的安全比和可用多種彈藥器材釋放等優(yōu)點(diǎn)[5,6]，早在第一次世界大戰(zhàn)和美越戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)已經(jīng)被廣泛使用。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬三個(gè)方面開(kāi)展刺激劑防暴彈爆炸擴(kuò)散非致命效能方面的研究。Noh等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)潔凈室內(nèi)顆粒物濃度分布進(jìn)行了研究[7]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度與排風(fēng)量和送風(fēng)位置有很大關(guān)系。Sharon等在室外開(kāi)展了不同氣象條件下臟彈爆炸煙云實(shí)驗(yàn)[8]，提出了云頂預(yù)估模型。Posner等采用CFD方法模擬得到實(shí)驗(yàn)室條件下煙霧的流動(dòng)受障礙物的影響很大[9]。Shi Guangshan等提出了一種由大孔和基質(zhì)組成的雙介質(zhì)概念模型[10]，對(duì)瓦斯擴(kuò)散進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。段中山等對(duì)TNT爆炸煙云在大氣中擴(kuò)散的時(shí)空分布進(jìn)行了試驗(yàn)及仿真研究[11,12]，得到了煙云擴(kuò)散形態(tài)演變過(guò)程和爆炸煙云擴(kuò)散高度分布模型；謝朝陽(yáng)等開(kāi)發(fā)了大氣中炸藥爆炸氣溶膠擴(kuò)散數(shù)值計(jì)算程序[13]，用于快速預(yù)測(cè)炸藥爆炸事故引發(fā)氣溶膠擴(kuò)散的濃度分布。程萬(wàn)影等對(duì)空中兩米處的新型控暴器材進(jìn)行爆炸分散研究[14]，采用隱形示蹤劑和采樣分析的試驗(yàn)手段，得到了單發(fā)彈靜爆后形成的威力幅員和作用時(shí)間。王曉華研究了可燃?xì)怏w室內(nèi)的擴(kuò)散特性[15]，蔣裕平等則對(duì)甲醛的室內(nèi)擴(kuò)散特性進(jìn)行了模擬研究[16]；歐陽(yáng)的華等采用Fluent軟件對(duì)催淚劑的室內(nèi)擴(kuò)散特性進(jìn)行了模擬研究[17]。劉志龍等在爆炸室內(nèi)對(duì)短切碳纖維開(kāi)展了空中爆炸分散試驗(yàn)[18]，獲得了殼體破裂、云團(tuán)特征，得出云團(tuán)參數(shù)變化規(guī)律及相似律。已有的研究結(jié)果表明：目前相關(guān)研究主要針對(duì)顆粒及氣體擴(kuò)散，并且對(duì)目標(biāo)物爆炸后云團(tuán)的形成過(guò)程及擴(kuò)散特性的研究主要集中在室外環(huán)境下，而對(duì)于刺激劑防暴彈室內(nèi)爆炸擴(kuò)散及威力評(píng)估的研究較少。由于室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境相比，初始風(fēng)場(chǎng)及壁面效應(yīng)對(duì)于刺激劑云團(tuán)的形成及擴(kuò)散遷移運(yùn)動(dòng)的影響很大，將室外環(huán)境下的研究成果應(yīng)用于室內(nèi)防暴彈的威力評(píng)估并不合適。

基于上述問(wèn)題，開(kāi)展了室內(nèi)環(huán)境下刺激劑防暴彈爆炸擴(kuò)散試驗(yàn)，并通過(guò)改變送風(fēng)口風(fēng)速實(shí)現(xiàn)不同初始流場(chǎng)條件下刺激劑氣溶膠擴(kuò)散的物理過(guò)程。通過(guò)室內(nèi)空間中36個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)得不同時(shí)間不同空間位置的刺激劑濃度。采用Matlab軟件對(duì)室內(nèi)空間中的濃度分布進(jìn)行三維擬合，分析空間中不同位置的刺激劑濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律，同時(shí)定量分析不同送風(fēng)條件對(duì)空間中不同位置刺激劑濃度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，以送風(fēng)速度、時(shí)間和空間坐標(biāo)為輸入，以刺激劑濃度為輸出，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立刺激劑濃度預(yù)測(cè)模型，對(duì)一定送風(fēng)速度范圍條件下刺激劑防暴彈室內(nèi)爆炸擴(kuò)散的刺激劑濃度分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為刺激劑防暴彈藥的有效威力效能評(píng)估提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 爆炸擴(kuò)散試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地與測(cè)點(diǎn)布局

試驗(yàn)在某平房(見(jiàn)圖1)內(nèi)進(jìn)行，平房尺寸為10.9 m(長(zhǎng))×9.1 m(寬)×3.28 m(高)，在東側(cè)墻壁高度2 m處設(shè)有3個(gè)送風(fēng)口(見(jiàn)圖2)，西側(cè)墻壁下方距地面0.15 m處設(shè)置3個(gè)回風(fēng)口。

圖 1 試驗(yàn)場(chǎng)地 Fig. 1 Experiment site

圖 2 平房?jī)?nèi)部Fig. 2 Bungalow interior

試驗(yàn)對(duì)空間內(nèi)的36個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了濃度的測(cè)定。測(cè)點(diǎn)位置：取長(zhǎng)度方向的五等分點(diǎn)4個(gè)，寬度方向的四等分點(diǎn)3個(gè)，高度方向3個(gè)(0.5 m、1.5 m、2.5 m)，總測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)共計(jì)4×3×3=36個(gè)。測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3，并采用如圖4所示方式對(duì)同一高度平面內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。見(jiàn)圖3、圖4。

圖 3 測(cè)點(diǎn)位置Fig. 3 Measuring locations

圖 4 測(cè)點(diǎn)位置平面示意圖Fig. 4 Plan sketch of measuring points

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

試驗(yàn)采用電風(fēng)扇送風(fēng)，電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率采用低中高三檔進(jìn)行調(diào)節(jié)，其頻率分別為20 Hz、30 Hz、40 Hz，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速分別為1.0 m/s、1.2 m/s和1.5 m/s。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，在相同風(fēng)速下分別進(jìn)行了三次重復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)風(fēng)速儀測(cè)得送風(fēng)口處同一風(fēng)速下的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的重復(fù)性。在送風(fēng)速度為1.0 m/s、1.2 m/s和1.5 m/s條件下分別進(jìn)行3次重復(fù)爆炸擴(kuò)散試驗(yàn)，共9組試驗(yàn)，彈藥均在建筑空間中心高度為1.5 m處爆炸。

測(cè)試系統(tǒng)由智能多路氣體采樣器、智能采樣器和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀組成。通過(guò)調(diào)節(jié)采樣器控制流量及采樣時(shí)間，采樣器流率為6 L/min，采樣原理為經(jīng)采樣頭采集刺激劑，通過(guò)粒徑譜儀測(cè)定氣溶膠顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑，從而給出氣溶膠數(shù)量濃度、表面積濃度、體積濃度以及質(zhì)量濃度隨粒徑的分布情況[3]。

從彈藥燃爆開(kāi)始計(jì)時(shí)，分別在30 s、90 s、150 s時(shí)刻啟動(dòng)采樣器進(jìn)行采集，采樣時(shí)間為1 min，取1 min內(nèi)平均濃度。記爆炸后時(shí)間t在30～90 s對(duì)應(yīng)t1，90～150 s對(duì)應(yīng)t2，150～210 s對(duì)應(yīng)t3。試驗(yàn)結(jié)束10 min后，進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)取下采樣頭依次進(jìn)行去殼、取膜、加液、超聲、沉淀處理，并送至分析實(shí)驗(yàn)室采用液相色譜法進(jìn)行定量分析[19]。采樣器采集刺激劑時(shí)依賴泵吸作用，具有一定的抽吸力，采樣系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，經(jīng)采樣得到的OC濃度即為大氣中該點(diǎn)處的實(shí)際濃度值。按(1)式計(jì)算出每個(gè)采樣點(diǎn)上的平均濃度值。

(1)

式中：c為采樣時(shí)間Δt內(nèi)的平均濃度，mg/m3；gz為采樣頭所采集的刺激劑樣品量，mg；V是采樣體積，m3；Q為采樣器流量，m3/s；Δt為采樣時(shí)間，s。

對(duì)于同種工況的三組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，采用了格拉布斯法[20-23]，數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下。

(2)

(3)

接著計(jì)算Gi值

(4)

將Gi值與格拉布斯原則給出的臨界值GP(n)比較，如果計(jì)算的Gi值大于臨界值GP(n)，則能判斷該測(cè)量數(shù)據(jù)是異常值，可以剔除。對(duì)于三次試驗(yàn)(n=3)置信概率P=0.95的G0.95(3)=1.153。剔除異常值后，求出均值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí)濃度分布

采用MATLAB軟件，將送風(fēng)口送風(fēng)速度為1.2 m/s條件下爆炸濃度擴(kuò)散試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制成三維曲面。采用插值逼近的方法，將三維坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)離散點(diǎn)采用重調(diào)和方程四階偏微分方程近似成光滑曲面，可以近似得到試驗(yàn)空間中某一高度平面內(nèi)刺激劑濃度值的大致分布，結(jié)合等值線可以分析出濃度分布的規(guī)律。圖5給出了送風(fēng)速度v=1.2 m/s時(shí)，彈藥爆炸后不同時(shí)間段(t1、t2、t3)的濃度平均值在不同高度(0.5 m、1.5 m、2.5 m)水平面內(nèi)的分布。圖中x、y為測(cè)點(diǎn)在水平面內(nèi)的坐標(biāo)；z軸表示濃度值，單位為mg/L；箭頭所示方向表示吹風(fēng)方向。

圖 5 不同高度測(cè)點(diǎn)濃度分布(v=1.2 m/s)Fig. 5 Concentration distribution at different heights(v=1.2 m/s)

在風(fēng)場(chǎng)的作用下，同一水平面內(nèi)的12個(gè)測(cè)點(diǎn)濃度大致呈階梯分布，由上風(fēng)口到下風(fēng)口濃度值依次升高，其原因是刺激劑自由擴(kuò)散的同時(shí)受風(fēng)場(chǎng)影響，上風(fēng)口處的氣溶膠顆粒在風(fēng)場(chǎng)作用下向下風(fēng)口處飄散聚集。從時(shí)間上看，這種濃度梯度差隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，整體濃度值趨于大致相同。由于墻壁處的壁面效應(yīng)，使得刺激劑在隨氣流吹散到出風(fēng)口墻壁處時(shí)造成回流并形成渦旋，部分刺激劑氣溶膠顆粒由出風(fēng)口墻壁處回旋至房間中心，從而使房間內(nèi)部刺激劑濃度分布隨時(shí)間變化越來(lái)越均勻。從高度上看，1.5 m高度處各點(diǎn)的濃度值普遍較高，0.5 m高度處的濃度值次之，2.5 m高度處的濃度值最低，這是由于1.5 m高度處是爆炸中心位置，爆炸初始濃度較高。另一方面爆炸后一些較小的刺激劑氣溶膠顆粒相互吸附聚集形成較大的顆粒團(tuán)，刺激劑氣溶膠顆粒平均空氣動(dòng)力學(xué)直徑為10 μm，受重力作用進(jìn)行沉降，逐漸向低處聚集并形成較高的濃度。從整體濃度分布趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)通風(fēng)條件下刺激劑防暴彈的爆炸位置靠近送風(fēng)口且高度在1.5 m以上時(shí)能夠發(fā)揮較大的震懾威力，警務(wù)人員使用防暴彈時(shí)，應(yīng)考慮室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)中的送回風(fēng)口位置以及投放高度。

1.3.2 高度1.5 m處不同送風(fēng)條件的濃度分布

選取高度1.5 m處不同風(fēng)速下的濃度數(shù)據(jù)探究送風(fēng)速度的大小對(duì)濃度分布規(guī)律的影響。

由于測(cè)試系統(tǒng)原因，當(dāng)v=1.0 m/s和v=1.2 m/s時(shí)“測(cè)點(diǎn)1～3”處采樣器未測(cè)出濃度數(shù)值，在擬合濃度分布三維曲面時(shí)，將該點(diǎn)排除，如圖6中(a)～(c)和(g)～(i)圖中畫紅色“×”的位置所示?？梢钥闯觯瑵舛戎党噬巷L(fēng)口濃度低于下風(fēng)口濃度。并且隨著送風(fēng)速度的增加，這種濃度差有越來(lái)越大的趨勢(shì)。

圖 6 不同風(fēng)速下濃度分布(h=1.5 m)Fig. 6 Concentration distribution under different wind speeds (h=1.5 m)

當(dāng)v=1.0 m/s時(shí)，爆炸擴(kuò)散開(kāi)始后t1時(shí)間內(nèi)(圖6(a))，上風(fēng)口濃度略高于下風(fēng)口。一方面是刺激劑爆炸后形成的氣溶膠初始云團(tuán)的濃度分布不均勻，另一方面是由于風(fēng)速過(guò)低，風(fēng)力過(guò)小，導(dǎo)致氣溶膠顆粒受風(fēng)的作用較小，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氣溶膠顆粒擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受風(fēng)場(chǎng)的影響越來(lái)越明顯。在t2時(shí)段(圖6(b))，水平面內(nèi)的濃度值分布較為均勻。當(dāng)t3時(shí)(圖6(c))，可以看到，呈下風(fēng)口濃度值偏高的分布狀態(tài)。當(dāng)v=1.2 m/s時(shí)，可以看出，在風(fēng)場(chǎng)的影響下，刺激劑濃度在水平面內(nèi)的分布較為均勻。當(dāng)v=1.5 m/s時(shí)，從爆炸擴(kuò)散前期開(kāi)始就有下風(fēng)口的濃度聚集現(xiàn)象，并且濃度梯度差相對(duì)較大。這是由于風(fēng)力過(guò)強(qiáng)，氣溶膠顆粒受風(fēng)場(chǎng)的作用較大，擴(kuò)散較快，導(dǎo)致水平面內(nèi)上、下風(fēng)口處濃度差偏大，濃度最大值為8.19 mg/L，與最小值0.12 mg/L相差67倍。分析送風(fēng)速度對(duì)刺激劑濃度分布的影響，可以看出風(fēng)速大小對(duì)于刺激劑濃度擴(kuò)散速度影響較大，針對(duì)本試驗(yàn)條件而言，送風(fēng)速度為1.2 m/s時(shí)，刺激劑濃度在空間中分布均勻，沒(méi)有產(chǎn)生局部濃度過(guò)高或過(guò)低的現(xiàn)象。刺激劑濃度過(guò)高會(huì)對(duì)人員造成過(guò)度傷害，濃度過(guò)低又不能起到控制的作用。刺激劑防暴彈在實(shí)際投放時(shí)，應(yīng)考慮使用場(chǎng)景中氣流的影響，必要時(shí)增加送風(fēng)設(shè)備以營(yíng)造適合的流場(chǎng)環(huán)境，充分發(fā)揮刺激劑防暴彈的威力效能。

1.3.3 風(fēng)速對(duì)刺激劑濃度值的影響

圖7對(duì)比了風(fēng)速為1.0 m/s、1.2 m/s、1.5 m/s時(shí)測(cè)點(diǎn)的濃度值，高度為0.5 m和1.5 m的各測(cè)點(diǎn)濃度值均隨著送風(fēng)速度的增加而降低。當(dāng)高度為0.5 m時(shí)，三種風(fēng)速下測(cè)點(diǎn)平均濃度分別為2.37 mg/L、2.14 mg/L和1.36 mg/L，可以看出風(fēng)速對(duì)濃度值分布的影響較大。一定范圍內(nèi)風(fēng)速越大，房間內(nèi)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)越快，刺激劑氣溶膠向房間外部的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越劇烈，導(dǎo)致房間內(nèi)濃度整體水平降低。但對(duì)于部分測(cè)點(diǎn)，如高度為0.5 m的測(cè)點(diǎn)1-1和測(cè)點(diǎn)3-3、高度1.5 m的測(cè)點(diǎn)3-3、4-2和4-3，其濃度值在v=1.2 m/s時(shí)最高。上述測(cè)點(diǎn)位置均靠近墻角處，v=1.2 m/s時(shí)室內(nèi)形成渦流場(chǎng)，致使墻角附近處的刺激劑顆粒持續(xù)聚集累積，形成較高的濃度。

圖 7 不同風(fēng)速下測(cè)點(diǎn)濃度值(t=t3)Fig. 7 Concentration value of measuring point under different wind speeds(t=t3)

1.3.4 刺激劑濃度值隨時(shí)間變化

對(duì)于送風(fēng)速度1.5 m/s的條件下(見(jiàn)圖8)，各測(cè)點(diǎn)濃度值隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，濃度分布隨時(shí)間變化越來(lái)越均勻。高度為2.5 m(圖8(c))的大部分測(cè)點(diǎn)在t1、t2、t3時(shí)濃度平均分別為2.43 mg/L、1.67 mg/L、1.20 mg/L。測(cè)點(diǎn)1-1和測(cè)點(diǎn)1-2濃度值隨時(shí)間變化較大，測(cè)點(diǎn)1-1在t1、t2、t3時(shí)段濃度值為其他測(cè)點(diǎn)的1.2～3.6倍，測(cè)點(diǎn)1-2在三個(gè)時(shí)段的平均濃度為其他測(cè)點(diǎn)的2.2～4.2倍。造成濃度差較大的原因是其位置距出風(fēng)口較近，在較大風(fēng)力(v=1.5 m/s)的作用下，刺激劑氣溶膠顆粒向出風(fēng)口處聚集形成較高的濃度。

圖 8 不同時(shí)間段各測(cè)點(diǎn)濃度對(duì)比(v=1.5 m/s)Fig. 8 Concentration comparison of each measuring point in different time periods(v=1.5 m/s)

為進(jìn)一步說(shuō)明刺激劑濃度值隨時(shí)間下降快慢受風(fēng)速的影響，給出了高度1.5 m的測(cè)點(diǎn)1-1濃度時(shí)程曲線，如圖9(a)所示。在1.0 m/s和1.5 m/s風(fēng)速下，測(cè)點(diǎn)1-1的刺激劑濃度值隨時(shí)間變化基本呈線性降低，t1時(shí)段到t3時(shí)段濃度分別下降了62%和79%，當(dāng)風(fēng)速為1.2 m/s，t1到t2時(shí)濃度下降了59%，t1到t2時(shí)濃度下降只有5.3%，這表明1.2 m/s風(fēng)速下室內(nèi)流場(chǎng)在爆炸1.5 min后濃度場(chǎng)較為穩(wěn)定，刺激劑濃度值緩慢下降。風(fēng)速1.2 m/s下測(cè)點(diǎn)2-2不同高度濃度時(shí)程曲線如圖9(b)所示，爆炸后t1時(shí)段該點(diǎn)在1.5 m高度處有較高的刺激劑濃度，而高度2.5 m處濃度較低。隨時(shí)間推移，三個(gè)高度的濃度差逐漸變小，在達(dá)到時(shí)間t2后濃度均在1.35～3.81 mg/L范圍內(nèi)變化?？梢钥闯鲈摴r下刺激劑爆炸后可在1.5 m處形成較高的濃度，并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)刺激劑濃度維持在2.8 mg/L以上。

圖 9 測(cè)點(diǎn)濃度時(shí)程曲線Fig. 9 The concentration time history curve of the measuring point

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back-ProPagation Neural Network)又稱反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24,25]，通過(guò)樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，不斷修正網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值使誤差函數(shù)沿負(fù)梯度方向下降，逼近期望輸出。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)或多個(gè)隱含層和輸出層，可以對(duì)具有有限個(gè)不連續(xù)點(diǎn)的函數(shù)進(jìn)行逼近從而具備出現(xiàn)線性不可分問(wèn)題的能力，是目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一[26,27]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層組成，網(wǎng)絡(luò)選用S型傳遞函數(shù)(式(5))，通過(guò)反傳誤差函數(shù)(式(6))不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值使誤差函數(shù)E達(dá)到極小。

(5)

(6)

式中：ti為期望輸出；Oi為網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算輸出。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

以不同送風(fēng)速度、不同時(shí)間以及不同空間位置的測(cè)點(diǎn)濃度數(shù)據(jù)作為樣本值，共有324組樣本，由于試驗(yàn)樣本采集問(wèn)題，其中部分測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)失真，總計(jì)有效樣本297組。在297組樣本中隨機(jī)選取277組樣本作為訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集，10組樣本作為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的驗(yàn)證集，其余10組則作為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)精確度的測(cè)試集。首先分別將訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集的數(shù)據(jù)作歸一化處理，使其分布于0～1之間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以樣本在事件中的統(tǒng)計(jì)分布率來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練(概率計(jì)算)和預(yù)測(cè)的，歸一化的作用是統(tǒng)一樣本在0～1之間的統(tǒng)計(jì)概率分布。

接著創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層為影響刺激劑濃度的因素，分別為送風(fēng)速度v、時(shí)間t、及空間坐標(biāo)x、y、z，共五維，將其用X1，X2，…，X5表示。輸出層只有一維，即為刺激劑的濃度值c，將其設(shè)為Y。

在參數(shù)調(diào)整中初選隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)按經(jīng)驗(yàn)公式(式(7)～式(9))確定大致范圍

(7)

M=log2n

(8)

(9)

式中：k為樣本數(shù);M為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù);n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù);m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù);a為0～10之間的整數(shù)。

Levenberg-Marquardt(LM)算法是求解非線性最小二乘問(wèn)題的一種廣泛應(yīng)用的方法[28]，它是牛頓法的變形，用以最小化那些作為其他非線性函數(shù)平方和的函數(shù)。1994年，Hagan等人首次把數(shù)值優(yōu)化算法Levenberg-Marquardt (LM)應(yīng)用到BP算法的訓(xùn)練[29]，以改進(jìn)其收斂速度。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)LM算法做了大量應(yīng)用與改進(jìn)研究[27,30-33]，其目的是提高精度，加快運(yùn)算速度。對(duì)于本研究中刺激劑濃度預(yù)測(cè)問(wèn)題，選用常用的LM算法，以期在快速收斂的基礎(chǔ)上能保證較高的穩(wěn)定性和精度。訓(xùn)練的收斂誤差平方和取為1×10-5，訓(xùn)練的最大次數(shù)設(shè)為1000，學(xué)習(xí)速率為0.001。經(jīng)過(guò)多次運(yùn)行進(jìn)行試值，最終確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，迭代次數(shù)為22次，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。將訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值及閾值保存，以便進(jìn)行接下來(lái)的濃度預(yù)測(cè)。見(jiàn)圖10。

圖 10 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果Fig. 10 BP neural network test results

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果

采用已建好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)送風(fēng)速度為1.0～1.5 m/s范圍內(nèi)，空間中測(cè)點(diǎn)2-2(h=1.5 m)的濃度隨時(shí)間變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到如圖11(a)所示的濃度時(shí)程曲線。從曲線來(lái)看，在爆炸后30～210 s的時(shí)間段，空間中2-2測(cè)點(diǎn)的濃度值隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，且濃度值隨送風(fēng)口風(fēng)速的增大而遞減的越快。

對(duì)不同高度處的2-2測(cè)點(diǎn)位置預(yù)測(cè)其在爆炸后t1時(shí)濃度值隨送風(fēng)速度大小的變化，得到如圖11(b)所示曲線。在送風(fēng)速度為1～1.5 m/s的范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)2-2的濃度值隨風(fēng)速的增加而基本呈線性降低，且高度1.5 m的測(cè)點(diǎn)濃度值高于高度為0.5 m的測(cè)點(diǎn)，2.5 m高度處的測(cè)點(diǎn)濃度最低。此外，為了探究濃度值隨測(cè)點(diǎn)位置與送風(fēng)口的距離的關(guān)系，對(duì)送風(fēng)速度為1.2 m/s，t1時(shí)段，高度1.5 m的平面內(nèi)，距離送風(fēng)口2.275～6.825 m的范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)濃度值進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖12所示。從測(cè)點(diǎn)濃度值隨距送風(fēng)口距離大小變化的曲線圖中，不難看出，觀測(cè)點(diǎn)位置離送風(fēng)口越近，該點(diǎn)濃度值越低。并且這種變化規(guī)律基本呈線性，而測(cè)點(diǎn)高度對(duì)該變化規(guī)律幾乎無(wú)影響。

圖 11 測(cè)點(diǎn)2-2濃度預(yù)測(cè)Fig. 11 Concentration prediction at measuring point 2-2

圖 12 測(cè)點(diǎn)濃度值與距送風(fēng)口距離大小的關(guān)系Fig. 12 The relationship between the concentration value of the measuring point and the distance from the inlet

此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型適用于本研究中提到的刺激劑防暴彈和試驗(yàn)場(chǎng)地，在送風(fēng)速度為1.0～1.5 m/s范圍內(nèi)能夠?qū)臻g中刺激劑濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

針對(duì)刺激劑防暴彈爆炸擴(kuò)散的研究以室外環(huán)境居多，室內(nèi)較少的現(xiàn)狀，采用試驗(yàn)結(jié)合仿真預(yù)測(cè)進(jìn)行研究，通過(guò)三種不同送風(fēng)條件下室內(nèi)空間中刺激劑的爆炸擴(kuò)散試驗(yàn)，得到了爆炸后刺激劑氣溶膠在空間中的濃度分布規(guī)律，同時(shí)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，以試驗(yàn)得到的不同風(fēng)速下、不同時(shí)刻空間中不同位置采樣點(diǎn)的濃度數(shù)據(jù)為訓(xùn)練對(duì)象建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)一定送風(fēng)速度范圍內(nèi)的時(shí)空濃度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)。研究得到：

(1)基于室內(nèi)環(huán)境下開(kāi)展的刺激劑防暴彈爆炸擴(kuò)散試驗(yàn)，其刺激劑濃度分布受室內(nèi)初始風(fēng)場(chǎng)條件和壁面效應(yīng)的影響，刺激劑經(jīng)過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)及沉降吸附作用，在下風(fēng)口及空間低處逐漸形成較高的濃度。在刺激劑防暴彈設(shè)計(jì)過(guò)程中，刺激劑含量應(yīng)適當(dāng)選取，避免局部空間刺激劑濃度過(guò)高對(duì)人員造成不必要的傷害。

(2)室內(nèi)初始風(fēng)場(chǎng)條件對(duì)刺激劑濃度時(shí)空分布影響較大，當(dāng)風(fēng)速為1.2 m/s時(shí)刺激劑擴(kuò)散速度相對(duì)較快，同時(shí)室內(nèi)刺激劑濃度分布也較為均勻，可以為刺激劑防暴彈在室內(nèi)合理使用提供一定參考。

(3)以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了刺激劑防暴彈室內(nèi)爆炸擴(kuò)散濃度預(yù)測(cè)模型，該預(yù)測(cè)模型適用于風(fēng)速在1.0～1.5 m/s時(shí)室內(nèi)刺激劑防暴彈爆炸擴(kuò)散濃度預(yù)測(cè)問(wèn)題，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差僅為5%，滿足工程要求，可應(yīng)用此預(yù)測(cè)模型對(duì)試驗(yàn)未開(kāi)展的工況及試驗(yàn)難以觀測(cè)的采樣點(diǎn)進(jìn)行濃度預(yù)估。