無人多功能安全救援消防設備研究

張悅鳴 鄭珺文 劉雨慶 聶泓承 溫謙

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-9577

摘? 要：隨著社會經濟的飛速發(fā)展，很多地區(qū)高層建筑和化工產業(yè)大量涌現，同時隨之而來的還有大量的安全隱患。消防設備相對人類來說具有更好的抵抗能力，對高溫、黑暗、有毒、濃煙有更好的耐受力，同時能夠更好、更冷靜地實行救援任務，避免不必要的人員傷亡。該文介紹了對新型消防機器人的功能設想，巧妙地結合紅外熱成像儀和機器人機身達到可以代替消防員或者與消防員合作進入火場實行救援的效果。改變傳統(tǒng)消防機器人體積過大不便進入現場的現狀，使用圖像分析技術來幫助機器人實現獨立救援，利用現有技術對消防機器人本身進行保護，實現人工和機器人共同合作。

關鍵詞：消防? ?機器人紅外熱成像儀? ?MATLAB? ?圖像分析

中圖分類號：TU998.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（a）-0057-04

Research on Unmanned Multifunctional Safety Rescue and Fire Fighting Equipment

ZHANG Yueming? ?ZHENG Junwen? LIU Yuqing? NIE Hongcheng? WEN Qian*

（Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 417100 China）

Abstract： With the rapid development of social economy， a large number of high-rise buildings and chemical industry emerge in many areas， and there are a large number of potential safety hazards. Compared with human beings， fire-fighting equipment has better resistance to high temperature， darkness， toxicity and thick smoke. At the same time， it can better and calmly carry out rescue tasks to avoid unnecessary casualties. This paper introduces the functional assumption of the new fire robot， which skillfully combines the infrared thermal imager and the robot body to achieve the effect of replacing firefighters or cooperating with firefighters to enter the fire site for rescue. It will change the current situation that the traditional fire robot is too large to enter the scene， use image analysis technology to help the robot realize independent rescue， use the existing technology to protect the fire robot itself， and realize the joint cooperation between man and robot.

Key Words： Fire fighting robot; Infrared thermal imager; MATLAB; Image analysis

隨著社會經濟的飛速發(fā)展，很多地區(qū)高層建筑和化工產業(yè)大量涌現，同時隨之而來還有大量的安全隱患。2019年3月30日下午，四川涼山發(fā)生大火，目前已確定有31人遇難?；馂牟粌H威脅著人民的人身和財產安全，同時還威脅著消防人員的生命安全。尤其是石化企業(yè)和森林大火，一旦發(fā)生，會造成不可預估的后果。而我們唯一能做的就是讓悲痛不再發(fā)生，在這個時候，智能消防就顯得更加重要。消防設備相對人類來說具有更好的抵抗能力，對惡劣環(huán)境有更好的耐受力，同時能夠更好、更冷靜地實行救援任務，避免不必要的人員傷亡。

1? 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

隨著科技的發(fā)展，尤其是智能設備的發(fā)展，智能化的觀念也在慢慢深入人心。在消防領域的智能化也是被各國所重視，一些發(fā)達國家將智能消防列入國家科技發(fā)展規(guī)劃，并大力發(fā)展智能小車[1]。國際上較早采用智能消防設備的是美國和前蘇聯，隨后英國、日本、法國等國家也開始了智能消防設備的研究。而我國的雖然在硬件和軟件的開發(fā)上日趨完善，但是仍然存在性能單一、體積過大、成本過高等問題，所以使用不夠普遍。而國外智能消防設備普遍體積較大，不適合我國樓房高層起火的救援活動，且滅火方式單一，也就是性能單一。同時，在滅火設備進行滅火時，需要人為幫助，無法做到百分百脫離人工。這從根本上來說，仍然無法避免人員傷亡。真正能夠進入地形復雜的火場，代替消防員進行救援，還存在很大的困難。而在地形復雜的山區(qū)消防設備又面臨著移動困難、移動速度慢的難題。

1.2 國內研究現狀

目前，消防安全領域已經引起全世界各國的重視，世界各國也在該領域出臺并且完善了諸多法律法規(guī)，因為消防安全與人民的生命及國家的財產息息相關，如果不能及時處理就會給國家和人民帶來極大的損失，并引發(fā)一系列惡劣事件。我國對消防領域的管控十分嚴苛，并投入了大量資金和人力。從建筑的布局、建筑裝修材料的審定、防火應急預案的制定、消防設施的擺放到滅火處理都有相關的規(guī)定[2]。我國自20世紀90年代開始著手研究智能消防車，該研究課題已經被多所高校列為重點研究項目，1995年上海消防科學研究所研制了我國首輛真正意義上的智能消防車，標志我國對智能消防車的研制進入了發(fā)展階段，填補了我國在智能消防上的空白。我國研發(fā)的第一代消防小車已經進入產業(yè)化階段，具備基本的排查險情、滅火、冷卻、稀釋等功能。

1.3 研究內容

消防機器人自問世以來歷經了三次改進，第一代智能消防設備采用遠程控制技術，由于控制技術的不完善和信號延遲，導致在實際應用時效果并不如預期。第二次改進采用數據分析的方法來提高準確度和反應能力，一般是采用各類傳感器來進行信息采集工作?，F在正在發(fā)展的是第三代消防機器人，是融合了機械技術、電子技術、計算機技術、控制理論、人工智能等各類傳統(tǒng)和新興技術的綜合機器人[3]。該文對新型智能消防小車進行優(yōu)化設計，主要內容包括對驅動方式的詳細介紹、行走方式的改良創(chuàng)新、數據采集和滅火方式的優(yōu)化來實現消防小車和消防員的合作滅火。根據小車采集的數據和圖像等信息進行具體分析來指定合理、安全、有效的方案來營救被困人員以及解除火警。同時可用于火警檢測，變電站糧倉等國家財產發(fā)生火災概率更大，尤其是夏季高溫期，此款智能消防小車可以通過紅外熱成像儀檢測溫度過高點來起到預防火警的作用。

2? 整車設計

2.1 動力來源的選擇

面對地形復雜的火場區(qū)域，體型過大的消防設備并不具備明顯優(yōu)勢，而且體型越大意味著設備本身需要更大的動力供應，撲滅火險意味著消防設備必須行動敏捷，動力充足，如果選擇汽油柴油等燃料作為動力供應顯然不可取?；饒銮闆r千變萬化，且溫度較高，如果發(fā)生爆炸會造成更為嚴重的災難。相比之下采用耐高溫電池就更加安全。耐高溫鋰電池最高可承受800 ℃的高溫，對于一般火災內部溫度大概在400 ℃左右，自燃性森林火災溫度大概在1 300 ℃～1 400 ℃左右，明顯耐高溫鋰電池在面對森林火災的時候也極易發(fā)生爆炸危險。為了避免這種情況的發(fā)生，我們可以選擇耐高溫的隔熱涂料覆蓋電機本身，同時涂抹在消防小車表面來保護內部精密零件。

ZS-1耐高溫隔熱保溫涂料就是可選擇的涂料之一，耐高溫隔熱保溫涂料是太空節(jié)能個人保溫涂料的一種，為世界首創(chuàng)，涂料為無機單組分，耐高溫隔熱保溫涂料的使用溫度為-80 ℃～1 800 ℃，根據不同的使用情況可以-60 ℃～1 000 ℃，比重是1 100 ㎏/m3;

-80 ℃～1 800 ℃，比重是1 800 kg/m3，還有夾層專用是-60 ℃～1 200 ℃，比重是1 000 kg/m3這3種，隔熱系數都是0.03 W/m·k，都能有效抑制輻射熱和傳導熱，隔熱抑制率可達到90%以上。這種涂料在完善之后有希望將設備的表面溫度降低至100 ℃，以此來確保設備內部零件和電路不被損壞。

2.2 CPU芯片的選擇

STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但是做了很多的改進，使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4kB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35 MHz，6T/12T可選。

2.3 移動方式的選擇

我國目前研發(fā)的消防小車移動方式基本都偏向于輪式，還有幾款利用平行四邊形底盤機構來增加穩(wěn)定性。對于森林火災來說地形崎嶇而且可能存在很多地勢落差，一旦發(fā)生側翻就沒有辦法再次移動。而對于履帶式底盤來說，通過加長履帶的方式就能夠增加行走穩(wěn)定性，但是顯然履帶式底盤也明顯存在著不能解決側翻問題的明顯缺陷。根據圖1所示，從生物學角度來說，狗的體型小巧靈活，適合跳躍，如果我們能以狗的骨骼結構為原型，即使不能百分百還原，我們也能通過履帶式底盤和機械狗相結合的方式進行融合，履帶式底盤明顯適合地勢平坦的地區(qū)，比如：工廠或者草坪，履帶式底盤做工便宜成本低廉，在工廠或者市區(qū)等地勢平坦的火災現場，可以快速穩(wěn)定的移動去撲滅險情。而在地勢崎嶇的山區(qū)或者村莊，消防小車一旦發(fā)生側翻，可以選擇遠程控制機械狗脫離底盤。雖然以目前的技術來說，制造的機械狗移動速度較為緩慢，但是卻能很好地解決側翻之后消防設備無法移動的問題，降低了經濟損失。兩種移動方式相結合的方法，意味著此款消防設備適用于大多數火災現場，能夠勝任大部分消防任務，隨著機械與自動化以及圖像識別等算法的成熟，此款消防設備肯定能夠更加完善。

2.4 信息采集與處理

人們身邊的物體只有在溫度超過1 000 ℃的時候才會發(fā)出可見光，對于森林火災來說最大的隱患莫過于復燃，對于樹木內部的高溫易燃點，人們光憑肉眼難以看見，而對于家庭或者工廠來說，電路上隱藏的過熱點是引發(fā)火災的最大隱患。夏季是糧倉火災的高發(fā)季節(jié)，谷物自燃不僅給人民財產帶來了巨大損失，甚至會威脅到生命安全。而早在1975年的時候，加拿大林業(yè)學校就已經利用紅外熱成像儀進行森林防火實驗，在飛機上檢測溫度過高點，排除尚未起燃的潛在火源，夏季利用紅外熱成像儀來檢測糧倉，能夠準確知道容易起火的位置和范圍，做到早知道早預防，及時撲滅，以挽救國家人民生命財產。所以，在此款消防設備上配備紅外熱成像儀，來采集數據非常合適。MATLAB軟件是一個用于數據處理和精確計算的可視化交互軟件，由MathWorks公司在1984年開發(fā)并運行，具有非常強大的科學仿真和計算功能，因此在各種科學和工程計算領域得到了廣泛應用[4]。而關于搜集到的圖像分析，完全可以利用MATLAB進行簡單地識別和數據處理。數學圖像處理最早出現于20世紀50年代，當時的電子計算機已經發(fā)展到一定水平，人們開始利用計算機來處理圖像和圖像信息。數字圖像處理作為一門學科大概形成于20世紀60年代初期[5]。基本的框架完成之后就要求設備的準確性，而對于消防機器人來說，對火災現場的情況進行準確的分析是最重要的，這就要求設備具有強大的圖片處理與分析功能。現有的圖像處理技術往往不能達到要求，這就需要相關人員自行開發(fā)設計專門的圖像處理單元。MATLAB軟件提供了圖像處理工具箱，它是以數字圖像處理理論為基礎，用MATLAB語言構造得到的一系列用于圖像數據顯示與處理的M文件，相關人員可以查看M文件的代碼并改進[6]。相關人員甚至可以編輯一個專門的軟件來與智能消防設備進行連接。在沒有發(fā)生火災的時候，消防人員也可以利用消防設備遠程控制來檢測溫度過高點和隱藏著火點。在1980—1983年間，我國利用紅外熱成像儀對整個華北電力網的24個發(fā)電站、8個變電廠，還有1 000多高壓線插頭進行了檢測，成功發(fā)現不正常熱點500多處，嚴重過熱點100多處，及時處理之后沒有發(fā)生火災。

2.5 滅火方式的選擇

大量實驗表明，泡沫熄滅火災的主要原理在于降低溫度、火焰阻斷、隔絕氧氣來源以及可燃物消散。與滅火相關的理論研究方面主要集中于B類火方面，Persson和Dahlberg發(fā)展了泡沫在液體表面的覆蓋的簡化模型，以預測在油池表面的覆滅過程[7]。在大型商場或者市區(qū)內發(fā)生的火災，大多數情況下能夠獲取足夠的水源用來滅火和降溫。但是如果火災發(fā)生在化工廠發(fā)電廠或者是森林火災，就難以配備足夠的水源，尤其森林起火隨風勢蔓延極快，對自燃環(huán)節(jié)破壞極大，而且撲救難度大，耗費的人力、物力極大，甚至會對某些軍事基地、物質倉庫、油庫造成威脅，所以對森林除了要有足夠的監(jiān)控管理之外，還必須有足夠的防火滅火裝備和器材。遠離市區(qū)更是為運輸裝備和器材帶來了巨大困擾?？捎贸赏繫CW水劑投擲式手榴彈自動滅火器（滅火彈）S1/ST1人工布置防火隔離帶，也可通過用飛機空投布置防火隔離帶，其高效的滅火能力和優(yōu)異的抗復燃效果，能有效地把大火隔離在燃燒區(qū)里，阻斷火災繼續(xù)蔓延;撲救森林火災除了布置防火隔離帶之外，還要有足夠的森林消防員進入火場滅火才能完全把大火撲滅并且防止其復燃。森林消防員雖然隨身帶有森林滅火機和其它撲火工具進入火場，但森林無法為撲救火災提供足夠的水源，如果消防員能隨身攜帶成威消防MCW水劑投擲式手榴彈自動滅火器（滅火彈）S1/ST1，當遇到較大的火頭或有人員被困時，可用成威消防MCW水劑投擲式手榴彈自動滅火器（滅火彈）S1/ST1進行撲救和開辟逃生通道，確保滅火和人身安全兩不誤。此款投擲式滅火手榴彈自動滅火器為我國私人企業(yè)自主研發(fā)、滅火迅速、無污染，事后清理簡便，而且具有有效避免復燃和防止火勢增大等明顯優(yōu)點。該企業(yè)位于廣東佛山，專業(yè)致力于消防工作的民用企業(yè)。在大火復燃的情況下可以使用智能消防設備，通過彈道噴射的方式來進行暫時的降溫和滅火，來阻擋復燃的火焰，為消防人員增加救援時間或者保護火場被困人員的安全。

3? 結語

該文對智能消防小車進行了合理規(guī)劃，能夠實現救援和預警一體化的基本功能，減少消防員進入火場的危險，為人民生命安全和物質財產提供基本保障，采用的紅外熱成像儀和MATLAB圖像分析能夠基本實現火場情況甄別，還可以用于森林火災、工廠爆炸、糧倉起火、變電廠失火等惡性事件的發(fā)生。

參考文獻

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