全自動(dòng)履帶式偵測滅火器產(chǎn)品設(shè)計(jì)

馬煜軒 何芷琪

（1、湖南工業(yè)大學(xué)包裝設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412007 2、湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

1 概述

1.1 履帶式滅火器國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

我國履帶式滅火器與國外履帶式滅火器行業(yè)相比起步較晚，研發(fā)和生產(chǎn)落后于日本和美國。在21世紀(jì)早期，我國的消防設(shè)備應(yīng)用處于初始階段，火場指揮與控制基本靠消防救援人員臨機(jī)應(yīng)變、人工滅火。隨著我國的綜合國力、經(jīng)濟(jì)水平、科技水平的提升，以及國家對應(yīng)急管理的重視，近幾年我國消防機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，有望實(shí)現(xiàn)追趕甚至反超外國[1]。

國際上較早開展履帶式消防機(jī)器人研究的是美國和前蘇聯(lián)，隨后英國、日本、法國、德國等國家也紛紛開始研究。目前已有很多種不同功能的履帶式滅火器用于救災(zāi)現(xiàn)場。

1.2 我國消防機(jī)器人要面對的困難

1.2.1 消防機(jī)器人的研發(fā)瓶頸：國內(nèi)消防機(jī)器人起步較晚，且多為傳統(tǒng)機(jī)械裝備。消防設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)從事這方面的研發(fā)工作，更多地著重在消防機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的消防類功能，對于消防機(jī)器人的偵探技術(shù)和智能化等方面有著研發(fā)乏力的共性。

1.2.2 消防機(jī)器人的零件供應(yīng)困難：消防機(jī)器人為機(jī)器人的分支之一，不可避免地受到了同樣的制約：國產(chǎn)機(jī)器人用關(guān)鍵零部件在性能、可靠性、使用壽命等方面存在較大不足，因而長期依賴進(jìn)口。這對國內(nèi)機(jī)器人市場今后的發(fā)展壯大是非常不利的一個(gè)因素，甚至可以說是極大的隱患。

1.2.3 消防機(jī)器人的技術(shù)瓶頸：對目前國內(nèi)外已研制出的消防機(jī)器人進(jìn)行深入細(xì)致的分析比較后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在消防機(jī)器人存在的問題:環(huán)境識(shí)別能力較弱，往往只能對單一指標(biāo)進(jìn)行判斷，對環(huán)境的發(fā)展?fàn)顩r不能掌握;通用性不夠，研發(fā)的消防機(jī)器人過于專業(yè)，僅針對某一危險(xiǎn)狀況工作；當(dāng)機(jī)器人工作，只（轉(zhuǎn)下頁）能對所處位置作業(yè)，缺乏收集三維空間危險(xiǎn)信息的能力。

1.2.4 推廣艱難：消防機(jī)器人的應(yīng)用毋庸置疑具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是想要大范圍的推廣消防機(jī)器人還是一個(gè)長期過程，制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸主要有以下幾個(gè)：

1.2.4.1 消防機(jī)器人造價(jià)高昂、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高、需要專業(yè)人員養(yǎng)護(hù)。除了國內(nèi)一線城市，國內(nèi)大部分地區(qū)還沒有能力配備。

1.2.4.2 受限于當(dāng)前的人工智能技術(shù)發(fā)展水平，消防機(jī)器人還不夠智能，不能取代人的全面工作。[2]

1.3 產(chǎn)品研究的意義

與其他滅火設(shè)備相比，履帶式滅火器最大的功能在于它能更好地適應(yīng)林區(qū)或者工礦廠區(qū)各種復(fù)雜的環(huán)境地形，進(jìn)行迅速滅火，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，優(yōu)勝于其他滅火類型產(chǎn)品。可森林火災(zāi)與城市火災(zāi)不同，由于森林可燃物較多，火勢蔓延迅速，消防員進(jìn)行近距離滅火存在較大的不確定性和危險(xiǎn)性。履帶式滅火器可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控滅火，使得在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，大大減少消防人員在森林滅火時(shí)造成的傷亡。

2 產(chǎn)品介紹

2.1 行走機(jī)構(gòu)（固定式履帶行走機(jī)構(gòu)）

針對全自動(dòng)偵測滅火器應(yīng)用場景的地形分析，其主要的工作環(huán)境集中于林區(qū)崎嶇地形以及各種工礦廠區(qū)、石油化工廠、大型倉庫等易燃易爆有輻射的場所。這些地方地形復(fù)雜，消防人員以及其他消防產(chǎn)品無法很好地在火災(zāi)場景中應(yīng)用，然而，履帶式滅火器就能很好地解決這一問題。

圖1 本產(chǎn)品的履帶結(jié)構(gòu)

本產(chǎn)品主要選擇了固定式履帶行走機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是導(dǎo)向輪不作支撐，驅(qū)動(dòng)能力、承載能力和穩(wěn)定性表現(xiàn)更佳，能避免在復(fù)雜地貌中巡航時(shí)能因卷入泥土而造成的磨損和失效，從而提高驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪的使用壽命。并且在雨、雪、冰等坡度路面提高地面摩擦力，避免出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)。而履帶的接地長度足夠通過較寬的溝壑溝。[3]

從技術(shù)的角度來看，履帶的作用是借助與其嚙合的主動(dòng)輪傳遞驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩，依靠與地面的相互作用產(chǎn)生牽引力或制動(dòng)力。負(fù)重輪支撐緊緊壓在下支履帶上，能增大下支履帶與地面的接觸面積，而履帶上的凹凸紋理則能增加其附著性能。

履帶結(jié)構(gòu)的材質(zhì)選擇主要集中在金屬和橡膠，金屬主要應(yīng)用在大型設(shè)備中，而橡膠的特點(diǎn)是質(zhì)量較小，耐熱性能較金屬表現(xiàn)高于金屬，所以本產(chǎn)品的履帶結(jié)構(gòu)主要選用橡膠材質(zhì)。

2.2 噴水機(jī)構(gòu)的選擇（高壓柱式噴水）

噴水機(jī)構(gòu)主要作用是完成噴水方向的確定，完成俯仰、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作轉(zhuǎn)換，達(dá)到精準(zhǔn)噴射。本機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和本體構(gòu)成。

為了適應(yīng)各種火場環(huán)境需要用到不同噴口、配備的噴口組合器、旋轉(zhuǎn)咬合器和360度無死角噴口可使滅火效率達(dá)到更佳?？紤]到本機(jī)器人不僅使用自身儲(chǔ)水進(jìn)行作業(yè)，還會(huì)有連接消防供水車和消防拴的需要，所以在水炮末端還裝有標(biāo)準(zhǔn)消防快速接口。

圖2 噴水機(jī)構(gòu)+全自動(dòng)履帶式滅火器爆炸圖

3 全自動(dòng)履帶式偵測滅火器設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測技術(shù)（攝像煙霧火災(zāi)檢測技術(shù)）

偵測火災(zāi)技術(shù)路線：基于不同的火災(zāi)偵測方法,和與早期火災(zāi)各種特征的檢測技術(shù)進(jìn)行對比,分析早期的火災(zāi)實(shí)時(shí)偵測方法進(jìn)行痛點(diǎn)分析。與傳統(tǒng)的傳感器火災(zāi)探測技術(shù)相比,煙霧火災(zāi)檢測技術(shù)更能及時(shí)偵測火災(zāi)各種信息，比如火災(zāi)的位置、火災(zāi)范圍增長比率等,也能適用于更廣泛的復(fù)雜空間，增強(qiáng)偵測火災(zāi)的能力、噪聲過濾、邊緣檢測和頻率檢測等應(yīng)用。

技術(shù)流程：先通過攝像頭對煙霧數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，之后建立數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分析，同時(shí)在監(jiān)控場景，通過攝像頭獲取視頻序列。兩者進(jìn)行比對監(jiān)測是否為煙霧，確認(rèn)則進(jìn)行報(bào)警通知。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析流程

將火災(zāi)各種特征的檢測結(jié)果與煙霧的檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析,設(shè)置模塊庫,輸出警報(bào)信息。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效的識(shí)別出火災(zāi)發(fā)生。并具有更快的運(yùn)算速度和一定的抗干擾能力。

基于傳統(tǒng)的傳感器火災(zāi)檢測技術(shù)只適用于較小的空間,且在環(huán)境較惡劣的情況下傳感器容易失效,不利于火災(zāi)的檢測。本產(chǎn)品火災(zāi)檢測技術(shù)可用于較大空間范圍內(nèi)的火災(zāi)檢測,且不易受環(huán)境的影響而失效。本產(chǎn)品提出了一種新的煙霧檢測方法,主要工作包含以下幾個(gè)方面：首先,分析目前較常用的幾種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法,從中選擇背景減除法用于提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域,并對運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)一步處理,去除由干擾因素產(chǎn)生的虛假目標(biāo),將運(yùn)動(dòng)區(qū)域中的火災(zāi)數(shù)據(jù)補(bǔ)充完整,為后續(xù)工作打下了良好的基礎(chǔ)。對于存在煙霧,進(jìn)一步估計(jì)火源位置，煙霧濃度和運(yùn)動(dòng)方向火源位置估計(jì)方位,可較準(zhǔn)確地確定火源位置。[4]

3.2 履帶式滅火器防高溫車體

本產(chǎn)品因?yàn)閼?yīng)用在火災(zāi)中，所以本產(chǎn)品需要承受過高的溫度，材質(zhì)必須有一定的耐高溫能力，主要是能承受火災(zāi)中最大溫度以及爆炸時(shí)產(chǎn)生時(shí)所產(chǎn)生的熱量，避免對本產(chǎn)品產(chǎn)生較大的損失，并保護(hù)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的大型主要是由防高溫甲板組合而成，可以使板甲在高溫灼燒時(shí)不變形，避免傳導(dǎo)熱量給內(nèi)部結(jié)構(gòu)。甲板底部的橡膠履帶是防高溫全地形履帶，使履帶可以在高溫的火災(zāi)地面上行走。

3.3 有效性原則（攜帶水源，保證第一時(shí)間有一定量的水源滅火）

履帶式滅火器的內(nèi)部可以儲(chǔ)存一定量的水量，保證在第一時(shí)間有一定量的水量對初期發(fā)生火災(zāi)的進(jìn)行小型火場的救援,阻止火源的第再次擴(kuò)大。

圖4 水箱體積：0.40 m×1.15 m×0.58 m＝0.27 (平方米)

3.4 滅火器無線遠(yuǎn)程控制

產(chǎn)品分為兩部分:手持操作柄和履帶式滅火器車體，操作柄部分包含了電路，液晶顯示模塊。遙控履帶式滅火器的操作流程為通過開啟手持操作柄，進(jìn)行一系列初始化控制之后與履帶式滅火器車體進(jìn)行遙控連接，成功后便可發(fā)送無線按鍵信息。[5]

圖5 手持操作柄說明

4 結(jié)論

通常森林火災(zāi)發(fā)生在一些比較偏僻且消防員難以帶著消防設(shè)備抵達(dá)的地方，而履帶式滅火器就能很好的適應(yīng)各種險(xiǎn)峻的地形，進(jìn)行監(jiān)測和滅火工作，使森林火情能在第一時(shí)間得以控制。

城市工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，雖然一些化學(xué)化工廠和紡織廠等易燃易爆場所都在逐步搬離人口密集區(qū)域。但是一旦這些地方發(fā)生了火災(zāi)，消防員受到的危險(xiǎn)就比普通火災(zāi)呈指數(shù)級增加。使用本產(chǎn)品代替消防員進(jìn)入火場滅火救援，就能很大程度地減少消防員傷亡。且由于產(chǎn)品配有智能體征監(jiān)測功能，比消防員更容易發(fā)現(xiàn)受困者，從而進(jìn)一步減少人員傷亡。

假如能在日常對易燃易爆場所等加強(qiáng)巡邏監(jiān)測，就能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，第一時(shí)間進(jìn)行救援，使得損失降到最低。考慮到成本問題，雇傭大量安保人員去對其進(jìn)行24小時(shí)全年無休的巡邏監(jiān)測并不實(shí)際，所以本產(chǎn)品就能很好解決這個(gè)問題。在產(chǎn)品投入使用之前，會(huì)對全地形進(jìn)行分析，檢測設(shè)定出幾個(gè)比較容易發(fā)生火災(zāi)的地方點(diǎn)，這些點(diǎn)是履帶式滅火器每天進(jìn)行巡檢的地方，這樣能在數(shù)據(jù)發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)變化時(shí)，及時(shí)發(fā)生警報(bào)。由于嚴(yán)謹(jǐn)、重復(fù)且精準(zhǔn)的工作，履帶式滅火器對比人有顯著的優(yōu)勢，所以起到了很好的預(yù)防效果。

履帶式滅火器的概念提出，雖不能在短時(shí)間內(nèi)切實(shí)地對消防系統(tǒng)產(chǎn)生即時(shí)效果，但希望能帶來高速發(fā)展下的中國消防系統(tǒng)的一點(diǎn)思考和關(guān)注。期望在不遠(yuǎn)的將來，能看到更多履帶式滅火器投入運(yùn)用到各類消防場景，形成人丁興旺的履帶式滅火器產(chǎn)品家族。