滅火救援實(shí)戰(zhàn)中的消防機(jī)器人技術(shù)研究

張志飛

摘 要：隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的出現(xiàn)及應(yīng)用在各領(lǐng)域倍受關(guān)注。尤其是在高層建筑與化工類企業(yè)數(shù)量增加的今天，火災(zāi)事故發(fā)生率居高不下，增加了消防人員的救援難度。尤其是在一些特殊環(huán)境下開展的救援工作，更是讓消防人員的生命安全受到了威脅。消防機(jī)器人的應(yīng)用，能在易燃易爆、缺氧、有毒、濃煙等災(zāi)害性火災(zāi)事故現(xiàn)場取代消防救援人員完成滅火，使消防人員的人身安全得到保障。故而，致力于研究消防機(jī)器人技術(shù)在滅火救援實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用展開，非常重要。

關(guān)鍵詞：滅火救援實(shí)戰(zhàn);消防機(jī)器人技術(shù);研究

中圖分類號：TU998.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）09-127-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.09.062

火災(zāi)事故的發(fā)生，會引起嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致國家財產(chǎn)受到巨大損失，使工廠停產(chǎn)，人員無法正常工作、學(xué)習(xí)等，并且會干擾社會的和諧穩(wěn)定。特別是當(dāng)火災(zāi)和爆炸同時出現(xiàn)時，所引起的損失更加慘重[1]。火災(zāi)事故大多是在毫無預(yù)測的情況下突然發(fā)生，加之現(xiàn)今我國在火災(zāi)事故報警、檢測等技術(shù)方面研究不足，以及公眾對火災(zāi)事故發(fā)生征兆、規(guī)律認(rèn)識不到位，導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生后顯得手足無措[2]，不能正確進(jìn)行火災(zāi)處理與救援，無法清晰講明自己所處火災(zāi)現(xiàn)場的具體情況，使得消防人員到達(dá)現(xiàn)場后可能會因?yàn)榄h(huán)境、安全等因素限制而無法及時開展救援工作。但消防機(jī)器人的應(yīng)用，剛好為滅火救援工作的開展創(chuàng)設(shè)了條件。其能夠全面詳細(xì)地收集、處理、反饋火災(zāi)現(xiàn)場狀況，為消防人員制定救援方案提供依據(jù)，確保救援效率得到提升，控制損失與傷亡。故而，有必要針對消防機(jī)器人技術(shù)在滅火救援實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 消防機(jī)器人在火災(zāi)應(yīng)急救援中的功能分析

消防機(jī)器人的使用，可在開展一些危險復(fù)雜環(huán)境下的滅火工作時，作為特殊裝備使用，起到成功救火的作用，具體功能如下：

1.1 移動功能

消防機(jī)器人移動載體的越野能力與自適應(yīng)能力都非常強(qiáng)，在參與救火過程中可自主作出準(zhǔn)確判斷且完成障礙翻越[3]，做好現(xiàn)場情況的合理分析，從而高效率完成一定角度的樓梯攀爬等相對復(fù)雜的功能。

1.2 探測功能

消防機(jī)器人能夠結(jié)合災(zāi)害事故現(xiàn)場的具體狀況，在不同電子元器件的使用下完成探測。其中，裝載攝像頭能將現(xiàn)場信息以通信網(wǎng)絡(luò)形式快速傳送至后防系統(tǒng)處理，這對各類傳感器（包括內(nèi)部傳感器與外部傳感器）提出了更高的要求[4]。其中，內(nèi)部傳感器是消防機(jī)器人在火災(zāi)事故現(xiàn)場對自身狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行探測，并將其傳輸至中央大腦DSP完成科學(xué)的路徑規(guī)劃，依照災(zāi)害事故現(xiàn)場做出合理應(yīng)對，確保消防機(jī)器人正常推進(jìn)救援工作;而外部傳感器則是對災(zāi)害事故現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)（如火場溫度、障礙物狀況、有毒氣體濃度、可燃?xì)怏w種類及氧氣含量等）給予探測，便于后防處理系統(tǒng)及時獲取原始數(shù)據(jù)。

1.3 控制處理通信功能

因DSP在數(shù)字信息處理上相比單片機(jī)所占的優(yōu)勢更顯著，故而消防機(jī)器人將DSP用作信息處理的重要部件，其中的控制處理通信組成包括兩部分，簡單概述為：

第一，消防機(jī)器人內(nèi)部處理系統(tǒng)。經(jīng)不同傳感器對火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場的具體數(shù)據(jù)給予探測，經(jīng)DSP處理分析原始數(shù)據(jù)。

第二，通信網(wǎng)絡(luò)。在公安、應(yīng)急管理、消防等多級組網(wǎng)作用下完成數(shù)據(jù)傳輸，并且對技術(shù)成熟度進(jìn)行考慮，需選擇2.5代GPRS或2.75代EDGE網(wǎng)絡(luò)，也可選擇3G網(wǎng)絡(luò)開展遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信，確保雙工或多工通信實(shí)現(xiàn)。

1.4 防腐蝕、防爆功能

由于消防機(jī)器人取代消防員在危險復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場執(zhí)行任務(wù)，故而在設(shè)計時就不得不對機(jī)械材料、電子元器件等組成器材的耐粉塵、腐蝕、濃煙與高溫能力展開綜合考量，做好關(guān)鍵部位的防爆與防腐蝕處理，使其能夠在不良環(huán)境下仍舊可處于正常工作狀態(tài)，從而高質(zhì)量執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。較典型的為消防滅火偵察防爆機(jī)器人[5]，經(jīng)可搭載消防水炮、履帶式底盤、溫濕度變送器、攝像機(jī)、有毒有害氣體探測器等上裝，對于有毒、易燃、濃煙、易爆等火災(zāi)現(xiàn)場，則可取代消防救援者由防爆機(jī)器人執(zhí)行滅火、探測、救援等任務(wù)，使得火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料采集不到位、消防人員人身安全得不到保障等不足得到彌補(bǔ)，達(dá)到減少人員傷亡的目的。

消防滅火偵察防爆機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)：整機(jī)經(jīng)48V防爆鋰電池與電源管理系統(tǒng)進(jìn)行電流供給，具體如圖1所示。

1.TFT水炮;2.噴淋裝置;3.紅外攝像頭;4.六合一氣體傳感器;5.升降裝置;6.數(shù)傳、圖傳天線;7.熱成像攝像頭;8.避障傳感器;9.報警燈;10.防爆燈;11.牽引裝置

1.5 消防功能

其同樣屬于消防機(jī)器人的重要功能之一，主要是通過做好前期準(zhǔn)備并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送給現(xiàn)場指揮員，此后再根據(jù)具體數(shù)據(jù)信息結(jié)合實(shí)際救援經(jīng)驗(yàn)作出準(zhǔn)確判定，并經(jīng)遙控發(fā)出指令，指揮消防機(jī)器人的搶救救援工作。

2 消防滅火機(jī)器人技術(shù)的典型實(shí)戰(zhàn)場景

2.1 火災(zāi)救援

消防機(jī)器人的平衡作業(yè)臂屬于3節(jié)1米結(jié)構(gòu)，能夠順著轉(zhuǎn)軸開展90°俯仰運(yùn)動，電機(jī)驅(qū)動鋼索進(jìn)行拉伸與收縮，并從1米延伸到3米。為得到火災(zāi)現(xiàn)場的圖像信號[6]，作業(yè)臂前端云臺應(yīng)進(jìn)行彩色CCD攝像機(jī)安裝，視頻信號經(jīng)無線傳輸形式于地面控制臺顯示屏監(jiān)控火災(zāi)現(xiàn)場情況，從而對機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行給予合理調(diào)整，并根據(jù)現(xiàn)場需求安裝溫度傳感器，對火災(zāi)現(xiàn)場溫度給予探測，還可經(jīng)可燃?xì)怏w傳感器對火災(zāi)可燃?xì)怏w含量進(jìn)行探測，預(yù)防轟燃。故而，消防機(jī)器人在滅火救援實(shí)戰(zhàn)中，用于在失火建筑不明確內(nèi)部情況的條件下獨(dú)自或輔助偵查人員到達(dá)火場。在機(jī)器人各類傳感器的作用下，監(jiān)測火場面積、溫度與燃燒物質(zhì)種類等。在濃煙狀態(tài)下，還可借助機(jī)器上的熱成像設(shè)備進(jìn)行被困者方位查詢，同時可為現(xiàn)場搜救者提供救助設(shè)備，使得滅火救援戰(zhàn)斗力大大提高。

2.2 危險化學(xué)品事故處理

若化工廠、核電廠等特殊行業(yè)出現(xiàn)火災(zāi)事故，可能會有易爆、有毒危險化學(xué)品泄漏。若缺乏對應(yīng)的防護(hù)與支援，在實(shí)戰(zhàn)過程中就算訓(xùn)練有素的專業(yè)救援隊(duì)伍，同樣無法輕易開展工作。將防護(hù)用具戴上后，又使得搜救人員對環(huán)境的感知能力下降，這就導(dǎo)致實(shí)戰(zhàn)救援難度大大提高，可能會在救援時危及消防員的生命安全。消防機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時，對復(fù)雜防護(hù)裝備的要求不高，能夠攜帶不同的專業(yè)設(shè)備到達(dá)危險化學(xué)品泄漏現(xiàn)場，對重度泄漏部位進(jìn)行評估，明確泄漏點(diǎn)且將周圍環(huán)境情況及時傳送給相關(guān)人員，保障火災(zāi)中的泄漏問題得到更好的處理。

2.3 破拆作業(yè)

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的背景下，高層建筑數(shù)量日漸增加，火災(zāi)事故發(fā)生率也不斷提高。在火災(zāi)救援時，常會遇到需要破拆高強(qiáng)度玻璃鎖構(gòu)造障礙的情況。通常情況下，救援人員通過建筑物頂部繩索懸掛于空中，選擇太平斧將玻璃砸開，不過人員在建筑物外懸掛作業(yè)不能站穩(wěn)，作用力較小，需要花費(fèi)的破拆作業(yè)時間長。

機(jī)械人作業(yè)臂前端所安裝的旋轉(zhuǎn)飛錐破拆裝置，在微電機(jī)作用下將飛錘帶動起來展開快速旋轉(zhuǎn)，在與玻璃接觸的一瞬進(jìn)行能量釋放，達(dá)到破拆的目的。要確保機(jī)器人穩(wěn)定定位懸掛在需破拆處，作業(yè)臂前端進(jìn)行彈射吸附裝置安裝。破拆作業(yè)執(zhí)行期間，彈射吸附裝置會有強(qiáng)力吸盤長桿被射出，將玻璃面吸住，保持長桿回縮，使機(jī)器人與玻璃面緊貼。而處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的飛錘，在長桿收回過程中通過限位傳感器的作用，使破拆裝置啟動，從而擊碎玻璃。有資料顯示，消防機(jī)器人能夠完全破拆不超過16 mm的玻璃。

2.4 密閉空間救援

地下建筑與密閉空間火災(zāi)事故發(fā)生后，燃燒所形成的大量煙氣因無法在短時間內(nèi)快速排出，會引起煙氣聚集，受到持續(xù)高溫影響使火場環(huán)境變得復(fù)雜惡劣。消防人員進(jìn)入現(xiàn)場直接參與救災(zāi)，會引起傷亡事故，而消防機(jī)器人的使用則能夠解決該問題。典型的消防排煙機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于隧道消防救援中，消防人員在進(jìn)入隧道前，以遙控對排煙機(jī)器人的行進(jìn)路徑、排煙機(jī)角度進(jìn)行控制，取代消防人員抵達(dá)火場執(zhí)行任務(wù)，完成火場的高效排煙，擴(kuò)散隧道空間中的煙霧，提升火場能見度，使被困人員可快速逃生。同時，當(dāng)消防排煙機(jī)器人將煙氣排出、能見度提升后，消防人員則可快速找出著火點(diǎn)，提升滅火效率，便于物資疏散。排煙機(jī)器人能以噴霧形式降低火場溫度，控制火情蔓延速度，使火災(zāi)引起的經(jīng)濟(jì)損失降到最低。

3 結(jié)語

因各類新工藝、新技術(shù)及新產(chǎn)品的出現(xiàn)，消防滅火機(jī)器人在火場一線消防官兵的生命安全保護(hù)及提高滅火效率中發(fā)揮了重要作用。各地消防官兵需對這一新裝備有更全面深入的了解，結(jié)合這一新產(chǎn)品提出更多與實(shí)戰(zhàn)接近的新理論與信息技術(shù)，使其能夠在滅火救援實(shí)戰(zhàn)工作中展現(xiàn)自身價值。如今，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已被納入到國家發(fā)展戰(zhàn)略，消防滅火機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的一員，備受關(guān)注與重視，更多的資本、技術(shù)也被引進(jìn)該行業(yè)。消防滅火機(jī)器人市場逐漸被打開，會使更多人認(rèn)識該產(chǎn)品，在后續(xù)研究中有必要根據(jù)我國火災(zāi)的發(fā)生特征，結(jié)合消防部門現(xiàn)狀，在消防科研技術(shù)力量幫助下，使消防滅火機(jī)器人產(chǎn)品盡早成為消防隊(duì)伍中的一員，真正被推廣普及到特殊火災(zāi)環(huán)境救援中，實(shí)現(xiàn)救助任務(wù)的高效率執(zhí)行。

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