智能消防車的發(fā)展研究現(xiàn)狀

李明璐，尹藝玲

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610039）

0 引言

在日常生產(chǎn)生活中，火災(zāi)作為最為常見的突發(fā)性災(zāi)害之一，帶來的人身和財(cái)產(chǎn)損失是不可預(yù)計(jì)的。據(jù)中國公安部官方公布的資料表明，2016年，全國共接報(bào)火災(zāi)31.2萬起，亡1582人，傷1065人，直接財(cái)產(chǎn)損失37.2億元[1]。傳統(tǒng)的消防滅火依靠消防員配套一些消防設(shè)施來完成，在滅火時(shí)消防員總是沖到事故第一線，但在與火災(zāi)的多年斗爭中，人的力量往往是很弱小的，消防員在滅火時(shí)要面對諸如高溫、黑暗、有毒和濃煙等高危環(huán)境，這往往會(huì)危及消防員的生命安全，帶來不必要的人員傷亡[3]。為了更好地解決前述難題，智能消防滅火車應(yīng)運(yùn)而生。

智能消防車的功能需求不同于一般的智能小車，甚至可以稱為消防機(jī)器人，它要求對環(huán)境的感知靈敏而準(zhǔn)確，能夠及時(shí)避開障礙處理險(xiǎn)情。中國第一代消防機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走、翻越障礙、噴射滅火和環(huán)境偵查等功能[4，5]。消防機(jī)器人融入了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制和人工智能等眾多先進(jìn)技術(shù)，作為特種機(jī)器人的一種，不僅能幫助獲取火災(zāi)的各項(xiàng)信息，更能協(xié)助或代替消防救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險(xiǎn)事故現(xiàn)場，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理及反饋[6]。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，各國工業(yè)迎來了飛速發(fā)展的黃金時(shí)期。目前國內(nèi)外都開展了智能消防車的研究，并取得了一些成果[1]。隨著中國制造2025的提出，在2016年印發(fā)的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》中，消防機(jī)器人被列為十大重點(diǎn)推動(dòng)的產(chǎn)品。在國家政策的支持和各行業(yè)多年技術(shù)積累的推動(dòng)下，我國消防機(jī)器人行業(yè)發(fā)展形勢大好。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展歷史

國外智能消防車的發(fā)展研究可追溯到上世紀(jì)80年代，美國和原蘇聯(lián)較早開始了對智能消防滅火車的應(yīng)用研究，隨后，英、日、德、法等國家也對該類技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，目前已有多種不同功能的智能消防車用于救災(zāi)現(xiàn)場。國外對智能消防車的研究總體可分為三個(gè)階段，第一代消防車主要是通過編寫程序來控制消防車的實(shí)際作業(yè)，第二代消防車加入了一定的感知功能，第三代則被稱為智能化消防車。

智能消防車帶有多種傳感器，而且能將傳感器得到的信息進(jìn)行融合，具備很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力。但目前發(fā)達(dá)國家研制的智能消防車的智能化水平并不太高，只能說是智能消防車的初級階段。高級智能消防車作為高新技術(shù)被很多國家和地區(qū)列為國家技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，作為保證經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的一個(gè)重要手段[11]。

1.2 國外市場上具有代表性的產(chǎn)品

（1）美國研制的履帶式TAF20多功能消防滅火車。FAT20由遠(yuǎn)程操作控制，能實(shí)現(xiàn)在危險(xiǎn)復(fù)雜事故現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋，如圖1所示。

圖1 F AT20消防滅火車

（2）美國研制的薩邁特遙控消防車。薩邁特體型小、運(yùn)動(dòng)靈活、爬坡能力出眾，適應(yīng)大部分復(fù)雜路面，可將火場高清圖像傳送到后方，如圖2所示。

圖2 薩邁特遙控消防車

（3）美國InRob Tech公司神產(chǎn)的FFR-1型消防車。采用遙控控制，在高溫環(huán)境中具有頑強(qiáng)的生命力。

（4）英國智能化保安公司生產(chǎn)的RO-VEH遙控消防車。該消防車配置為履帶式或輪式行駛機(jī)構(gòu)，采用有線控制方式。

（5）德國施密茨公司生產(chǎn)的LUF60型雪炮消防車。LUF60具有排煙、滅火、稀釋、冷卻等功能，可在300 m距離內(nèi)進(jìn)行遙控操作[7]。

（6）英國研發(fā)的消防機(jī)器人QinetiQ，裝載有高壓輸水開關(guān)和熱成像儀，能隨意進(jìn)入高度危險(xiǎn)區(qū)域。

（7）日本消防研究所研發(fā)的小型消防車FLYGO。配置驅(qū)動(dòng)輪或履帶式行駛機(jī)構(gòu)，有較好的爬坡和跨障能力，能進(jìn)入危險(xiǎn)場所收集信息，幫助救災(zāi)。

（8）日本 Sohgo公司生產(chǎn)的‘Guardrobo D1’消防安全機(jī)器人。該款機(jī)器人裝有滅火裝置，能自動(dòng)滅火并及時(shí)將拍攝圖像發(fā)給操作人員。

（9）俄國國立大學(xué)研發(fā)的移動(dòng)消防車。用于火災(zāi)救援和各種特殊情況下的消防偵察滅火。

除了上述產(chǎn)品外，其他國家也有多種功能各異的消防智能消防車，且逐步向第三代高端智能化發(fā)展。但總的來說，由于生產(chǎn)成本高，維護(hù)難度高，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模在消防部門配備使用。

1.3 國外技術(shù)發(fā)展情況

80年代，日本投入研發(fā)及應(yīng)用了不少于5種型號的智能消防車。該類智能消防車以電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，配置履帶式或金屬輪行駛機(jī)構(gòu)，具有爬坡、越障等功能，裝有消防水槍炮、熱像儀、氣體檢測裝置和工業(yè)電視攝像機(jī)設(shè)備；通過電纜或自身攜帶蓄電池供電；采用有線控制的控制方式，控制最大距離為100 m。

另一種投入使用的為消防偵察、搶險(xiǎn)所用。采用電機(jī)或者內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力供應(yīng)源，配置履帶車輪驅(qū)動(dòng)平臺(tái)；搭載各種傳感器組成的檢測系統(tǒng)；通信方式采用射頻無線通信方式，同時(shí)裝有機(jī)械手，能通過遙控控制機(jī)械手啟閉閥門、搬移物品等。

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)發(fā)展歷史

我國自上世紀(jì)90年代開始著手研制智能消防車，該研制課題被列入863高科技計(jì)劃研究發(fā)展項(xiàng)目，并由多方單位共同開展研發(fā)工作[2]。目前已有30多家高校和科研機(jī)構(gòu)從事智能滅火消防車的技術(shù)研發(fā)，尤其是近幾年，智能消防車的研制得到了國家有關(guān)部門的大力支持。1995年，由上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)公安部上海消防科學(xué)研究所研制的我國第一臺(tái)消防智能車，即自行式消防炮誕生，標(biāo)志著我國對于智能消防車的研制進(jìn)入了戰(zhàn)略發(fā)展階段，填補(bǔ)了我國在消防機(jī)智能車領(lǐng)域的空白。

2.2 國內(nèi)市場上具有代表性的產(chǎn)品

（1）上海強(qiáng)師消防裝備有限公司生產(chǎn)的JMXLT50型滅火消防車。主要由底盤、遙控裝置、環(huán)境檢測系統(tǒng)、水噴霧供給系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)組成[9]。

（2）上海消防研究所研制的JZX-GL/A消防偵察機(jī)器人。作為我國首臺(tái)防爆消防偵察機(jī)器人，該機(jī)器人具有體積小、重量輕、速度快的特點(diǎn)[8]。

（3）沈陽市消防支隊(duì)、天津鼎力機(jī)電有限公司和大連連美消防設(shè)備有限公司聯(lián)合研制的智能遙控消防車。該車?yán)脰|風(fēng)8 t載重汽車底盤，配備大功率遠(yuǎn)射程水炮和無線傳輸攝像系統(tǒng)。操作人員通過控制器控制車輛在500 m的距離之內(nèi)運(yùn)動(dòng)[10]。

（4）山東國泰科技有限公司研發(fā)的RXD-M40D-GT02消防滅火車。適用于消防人員無法靠近的危險(xiǎn)場所，進(jìn)行火場環(huán)境偵查與檢測。

（5）由山東省公安消防總隊(duì)濰坊支隊(duì)、山東安華智能股份有限公司及山東大學(xué)合作研發(fā)的“智能空間”消防機(jī)器人。該機(jī)器人可以在連續(xù)高溫下作業(yè)，具有防水、防爆等功能。

（6）由上海海倫哲國際消防裝備公司生產(chǎn)的消防車。該消防車具有滅火、排煙、降溫、除塵、搶險(xiǎn)救援、偵察檢測、圖像采集等功能。

（7）中信重工開誠智能裝備有限公司研制的防爆消防滅火偵察機(jī)器人，該機(jī)器人具有自主避障、現(xiàn)場救援等功能。

我國研制的智能消防車可在大型復(fù)雜火災(zāi)中提高消防部隊(duì)的作戰(zhàn)效能。它的投入使用，將有效地避免參戰(zhàn)消防官兵的傷亡，是傳統(tǒng)消防車的一次重大技術(shù)革新。

2.3 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展情況

我國研發(fā)的第一代多功能智能消防車已通過驗(yàn)收并順利進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，第一代智能消防車擁有完整的消防智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由車體、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，動(dòng)力來自外部供電系統(tǒng)，在高壓噴水的基礎(chǔ)上配置了冷凝劑，可完成車體控制、災(zāi)情檢查、滅火、冷卻、稀釋等工作。

我國研制的智能消防車可分為消防滅火和消防偵察兩種。這兩種都采用履帶式的行駛機(jī)構(gòu)，可上下樓梯、爬坡和原地轉(zhuǎn)彎；通過配備熱像儀、攝像頭、測溫儀等傳感器設(shè)備，消防車可進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)、語音信號、圖像信號的采集，并將采集的信號實(shí)時(shí)處理后通過無線傳輸?shù)姆绞剿偷娇刂剖?，為救援決策提供依據(jù)。

3 國產(chǎn)智能消防車發(fā)展面臨的問題

（1）智能化程度不夠

國內(nèi)智能消防車研究起步較晚，且多由傳統(tǒng)機(jī)械類、消防設(shè)備類公司從事這方面的研發(fā)工作，更多地是在原有消防車上增加控制系統(tǒng)，對于在感覺、智能化等方面缺乏研究。目前國內(nèi)智能消防車多處于第一代的程序控制階段，控制、決策多依賴消防人員，協(xié)同能力較弱。近年來，陸續(xù)有專家學(xué)者開始第二、第三代智能消防車的研究。

（2）可靠性不高

國產(chǎn)智能消防車使用的關(guān)鍵零部件在性能、可靠性、使用壽命等方面難以滿足要求，需要長期依賴進(jìn)口，尤其是減速器、伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)這五大關(guān)鍵零部件。由于智能消防車研究的系統(tǒng)較為復(fù)雜，國內(nèi)生產(chǎn)的廠家沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量參差不齊，正常使用和維護(hù)保養(yǎng)均需一定的費(fèi)用。

（3）環(huán)境識(shí)別能力弱

在實(shí)際應(yīng)用中，國內(nèi)現(xiàn)有的智能消防車難以與消防人員形成良好的配合。人機(jī)交互性不夠，消防車往往只能對單一因素進(jìn)行判斷，對環(huán)境的變化情況不能完全掌握，研制出的智能消防車往往只針對某一特定的危險(xiǎn)狀況，通用性不夠。

4 對我國智能消防車發(fā)展的建議

無論消防車技術(shù)如何發(fā)展，消防車都必須從滅火救援的實(shí)際出發(fā)，即滿足部隊(duì)滅火救援的實(shí)際需要，再進(jìn)一步挖掘智能消防車在實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用潛力。

（1）解決導(dǎo)航和定位技術(shù)。在自主移動(dòng)消防車導(dǎo)航中，無論是局部實(shí)時(shí)避障還是全局路線規(guī)劃，都需要精確知道消防車或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及位置，以完成導(dǎo)航、避障等任務(wù)[16]。

（2）尋求最優(yōu)路徑規(guī)劃。依據(jù)某個(gè)性能指標(biāo)或優(yōu)化準(zhǔn)則，在消防車工作空間中找到一條從起點(diǎn)終點(diǎn)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。

（3）加快消防車本身核心技術(shù)和關(guān)鍵部件的掌握。運(yùn)用聯(lián)合作戰(zhàn)法，提升消防車作戰(zhàn)聯(lián)動(dòng)性。

（4）多傳感器耦合技術(shù)。如采用GPS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)消防車的定位；采用陀螺儀測定消防車的速度、位置、姿態(tài)信息等；采用火焰?zhèn)鞲衅鱽砼袆e火焰位置等[13]。

5 我國智能消防車發(fā)展趨勢

（1）自主智能化

隨著智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展，在今后的發(fā)展中自主決策、自主行動(dòng)、自我保護(hù)將成為高級智能化消防車的發(fā)展趨勢[14]。

（2）功能集成化

智能消防車作為救援滅火的有效工具，應(yīng)集偵察、破拆、搬運(yùn)、滅火、冷卻等多功能于一身[15]。消防車的技術(shù)集成度高，涵蓋了機(jī)器人控制器、傳感器、移動(dòng)技術(shù)、遠(yuǎn)程通信等部件和領(lǐng)域在內(nèi)的多項(xiàng)核心技術(shù)，一旦取得進(jìn)步，必將對我國智能消防車產(chǎn)業(yè)起到巨大的提升作用。

（3）傳感技術(shù)融合化

消防車既要對外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，又要對內(nèi)部方位信息進(jìn)行判斷。通過綜合多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，產(chǎn)生更可靠、準(zhǔn)確、全面的信息，經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測對象的特性，消除信息的不確定性，提高信息的可靠性。

（4）高效節(jié)能化

優(yōu)良的消防器材的開發(fā)往往對產(chǎn)品的高效、節(jié)能、環(huán)保等性能指標(biāo)提出較高要求，智能消防車也會(huì)朝著靈活輕便、高效節(jié)能的方向發(fā)展。

6 結(jié)束語

智能消防車是一個(gè)綜合性交叉學(xué)科研究項(xiàng)目，主要涉及材料、機(jī)械、控制、環(huán)境科學(xué)和安全工程等多個(gè)學(xué)科。近年來，中國智能消防車的研制工作得到了政府有關(guān)部門的支持，已有越來越多的消防指戰(zhàn)員認(rèn)識(shí)到其重要性，市場需求正在逐步形成。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國目前的智能消防車技術(shù)水平也有了很大的提高，但是我們應(yīng)在結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)和技術(shù)基礎(chǔ)，充分利用有關(guān)研究所、學(xué)校、企業(yè)及使用部門技術(shù)力量的同時(shí)，加強(qiáng)國際技術(shù)交流與商務(wù)合作，盡可能多采用成熟技術(shù)，注意配套技術(shù)（如運(yùn)載底盤、監(jiān)控等），確保使用智能消防車的可靠性與實(shí)用性。