基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)的研究

鄭 鵬

（佛山市公安消防支隊，廣東 佛山 528000 ）

1 引言

機器人技術(shù)最初起源于軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)場偵察、戰(zhàn)場清掃等，在20世紀80年代以前就有人開始從理論上對機器人應(yīng)用于災(zāi)害搜救工作進行了探討。目前，災(zāi)難救援機器人技術(shù)正從理論和試驗研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展，消防機器人在我國也開始進入到各項消防工作中，上海消防科學(xué)研究所自主研發(fā)的我國第一代消防機器人已經(jīng)在消防部隊裝備使用。通過對現(xiàn)有消防機器人的使用狀況進行分析可以發(fā)現(xiàn)，消防機器在各項救援工作中僅是作為一種單一的救援工具，而這種使用方式很難充分發(fā)揮消防機器人的能力，現(xiàn)今的消防機器人技術(shù)正向著多機器人協(xié)作的方向發(fā)展。

滅火救援工作是在指揮中心統(tǒng)一指揮下進行的，如果將不同功能的消防機器人結(jié)合起來并與現(xiàn)有的消防指揮信息網(wǎng)相結(jié)合，可以充分發(fā)揮消防機器人的作用。筆者在這里提出一種基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)，本套系統(tǒng)可以充分融入到現(xiàn)有的救援通信指揮網(wǎng)，極大的提高人與機器之間的協(xié)作配合能力。

2 救援輔助系統(tǒng)的組成

基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)是一套以消防機器人為核心，用來輔助消防隊員開展各項救援工作的系統(tǒng)。它由消防機器人、消防機器人后場控制臺和救援指揮中心三部分組成，圖1為基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)與救援通信指揮網(wǎng)結(jié)合后的作戰(zhàn)模式。

2.1 消防機器人

在整個救援輔助系統(tǒng)中，消防機器人是完成救援工作的主要部分。在救援現(xiàn)場，消防機器人獨立或者協(xié)同消防隊員完成各項救援任務(wù)，主要由三類不同特征的消防機器人承擔對應(yīng)的救援任務(wù)。

1）飛行機器人。目前的飛行機器人有固定翼機器人、旋翼機器人和高空氣球機器人等，其主要進行火場過火面積測量、火勢預(yù)測、救援人員和車輛的定位、高空投遞自救器材等工作。

2）搜救機器人。搜救機器人有輪式機器人、履帶式機器人和仿生機器人等，可以完成火場內(nèi)部對消防隊員的器材和裝備支援、在火場內(nèi)部進行人員搜索、現(xiàn)場臨時醫(yī)療救助、危險品事故現(xiàn)場監(jiān)測處置、危險建筑內(nèi)部搜救等工作。

3）滅火機器人。滅火機器人主要為搭載水炮、泡沫泡等滅火劑噴射器具的機器人，其任務(wù)是代替消防員進行滅火劑近距離噴射，同時可以監(jiān)測火場內(nèi)部情況。

2.2 消防機器人后場控制臺

消防機器人后場控制臺是負責連接消防機器人和救援指揮中心的部分，在本套系統(tǒng)中它需要完成對現(xiàn)場使用的機器人進行統(tǒng)一的監(jiān)控和操作等工作。隨著救援機器人的發(fā)展，救援機器人不再依靠單一傳感器的來完成對環(huán)境的感知，而是通過多傳感器信息融合完成認知和適應(yīng)的，目前救援機器人在工作中用到的一個重要技術(shù)就是多傳感器信息融合技術(shù)。

由于多種傳感器技術(shù)得到廣泛的使用，如激光測距儀、視覺傳感器、熱成像儀、有毒氣體探測器等不同種類的傳感器在消防機器人上會大量的應(yīng)用，這使機器人傳回后場的數(shù)據(jù)種類繁多，而且各消防機器人在使用中還需要做到數(shù)據(jù)之間的相互通信和共享。這就需要各個消防機器人先通過有線或者無線的方式將自身狀況和火場信息先傳輸給后場控制臺，由后場控制臺對這些信息進行篩選后上報給救援指揮中心并實現(xiàn)各機器人之間的數(shù)據(jù)共享。同時，后場控制臺接收來自救援指揮中心的命令，并將命令轉(zhuǎn)化為機器指令傳輸給消防機器人執(zhí)行。

2.3 救援指揮中心

救援指揮中心是實現(xiàn)消防機器人救援輔助系統(tǒng)和救援通信指揮網(wǎng)相結(jié)合的主要部分。消防機器人在救援現(xiàn)場通過各種傳感器采集到的火場溫度、建筑物結(jié)構(gòu)強度、有毒氣體濃度等現(xiàn)場實時信息，通過后場控制臺發(fā)送給救援指揮中心。救援指揮中心結(jié)合救援現(xiàn)場實際情況對這些實時信息做出分析判斷后，通過消防機器人救援輔助系統(tǒng)和救援指揮信息網(wǎng)分別向消防機器人和消防隊員下達作戰(zhàn)指令，實現(xiàn)消防機器人和消防隊員相互協(xié)作參與災(zāi)害救援，使機器與人達到一個最佳的組合工作狀態(tài)。

3 救援輔助系統(tǒng)的應(yīng)用

基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)可以應(yīng)用到滅火救援和地震救援等各項消防工作中，由于其可以從現(xiàn)有救援通信指揮網(wǎng)獨立出來完成工作，所以更加有利于在各項消防工作中指揮調(diào)度，圖2為其在火災(zāi)救援中使用的一個例子。

3.1 救援輔助系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

1）火災(zāi)救援。在各種火災(zāi)撲救工作中，基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)可以在失火建筑內(nèi)部情況不明時，由搜救機器人獨立或者輔助偵查人員進入火場，通過消防機器人上的各種傳感器對火場內(nèi)部溫度、過火面積和燃燒物質(zhì)種類進行監(jiān)測，同時在煙霧較大的情況下利用機器上的熱成像設(shè)備查找被困人員方位，并為現(xiàn)場搜救人員提供簡易的救助設(shè)備。滅火機器人負責在消防隊員無法作戰(zhàn)的高溫危險區(qū)域進行近距離滅火作戰(zhàn)，同時實時監(jiān)控失火建筑的結(jié)構(gòu)強度，由于機器人可以在忽略其部分自身安全性的條件下在消防人員無法工作的特殊地點進行滅火救援工作，這極大程度上提高了其在滅火救援工作中的戰(zhàn)斗力。高空機器人在滅火救援的過程中提供火場外圍的全方位圖像信息，在大跨度火場和高層建筑火場中可以向消防隊員無法到達的區(qū)域投擲簡易逃生器材。

2）地震救援。在地震救援中，高空機器人利用其地理位置優(yōu)勢幫助指揮中心和救援隊員了解災(zāi)害現(xiàn)場情況，提供房屋損毀及倒塌的畫面場景、精確位置、搜救人員地面線路、救援人員現(xiàn)場作業(yè)等實時信息，并協(xié)助救援隊完成危樓建筑排查工作。同時，地面搜救機器人利用其傳感器信息處理能力強的優(yōu)勢，可以攜帶多種傳感器，實現(xiàn)廢墟內(nèi)圖、聲、氣、溫等多種檢測，可以更有效地發(fā)現(xiàn)被困者的位置，對指導(dǎo)救援工作的開展有非常重要的意義。由于機器人的機動性和搬運破拆能力都強于人類，而且通過電池補給可以連續(xù)工作，這樣提高了搜救的效率。使用搜救機器人可以提高救援隊員的安全系數(shù)，能避免二次倒塌所帶來的傷亡。各種類型的搜救機器人可以根據(jù)任務(wù)的類型及環(huán)境而改變自身的構(gòu)型，適應(yīng)多樣化地震廢墟環(huán)境。進入危險或救援人員無法進入的廢墟，并隨時監(jiān)視廢墟的變化，防止發(fā)生倒塌危及救援人員，提供幸存者周圍環(huán)境信息及救援通道的信息，方便施救。

3）危險化學(xué)品事故處置。當核電廠、化工廠等設(shè)施出現(xiàn)有毒、易爆危險化學(xué)品泄露事故時，如果沒有相應(yīng)的防護和支援，即使訓(xùn)練有素的專業(yè)救援人員也不能輕易開展工作，而戴上防護用具之后又會限制搜救人員對環(huán)境的感知能力，延緩救援工作的進程。這些危險因素給救援工作帶來了極大的阻礙，常常使救援工作付出慘痛的代價。消防機器人由于不需要復(fù)雜的防護裝備，可以攜帶各種專業(yè)的測試設(shè)備進入危險化學(xué)品泄露事故的重度泄露部位，查找泄露點并提供泄露點附近的環(huán)境狀況，為處置泄露提供充足的信息保障。同時，在專業(yè)救援人員進行堵漏處理時，可以輔助完成稀釋泄露化學(xué)品和實時監(jiān)測現(xiàn)場泄露情況等工作。

4）水域救援。在遇到情況比較復(fù)雜的水域救援工作時，消防機器人可以充分發(fā)揮其移動范圍受限少的優(yōu)點，通過水上機器人和高空機器人對遇險者給予全方位的及時救助。相對與現(xiàn)有水域救援使用拋投器和人工救助的方式，利用消防機器人可以更加安全準確高效的將纜繩、救生衣等緊急救助裝備投遞到遇險者手中。

3.2 救援輔助系統(tǒng)的優(yōu)勢及不足

目前，消防機器人的使用狀況還處在僅將機器人作為一種救援工具獨立使用的階段，很少將不同種類的消防機器人組合起來使用。而基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)提供了一種將不同種類的消防機器人進行組合使用的方法，最大限度的發(fā)揮了消防機器人的優(yōu)勢。其與滅火救援指揮通信網(wǎng)相結(jié)合，充分體現(xiàn)了人與機器之間的協(xié)作配合，擴大了消防機器人的使用范圍，也極大的提高了消防人員的安全系數(shù)。

但消防機器人屬于高新電子技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合體，目前還只有少數(shù)幾個發(fā)達國家有能力進行研發(fā)和使用，而且消防機器人的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，其研發(fā)周期長，使用和維護成本均較高。機器人技術(shù)是一門高精尖技術(shù)，對使用者與維護者的專業(yè)素質(zhì)與技能要求高于一般的消防裝備，這間接的增加了其使用與維護費用。

4 結(jié)束語

隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展和消防工作的需要，消防機器人將越來越多應(yīng)用在滅火救援工作中，如何更好的使用這些消防機器人將變的極為重要。由于各種災(zāi)害事故現(xiàn)場情況的多樣性，利用同一種類消防機器人來解決所有災(zāi)害事故救援問題是不可能的，這就需要為消防機器人建立一個科學(xué)高效的使用方案，基于消防機器人的救援輔助系統(tǒng)很好的解決了這個問題，為消防機器人團隊化工作并與現(xiàn)有通信指揮網(wǎng)相結(jié)合提供了一個新的方向。

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