消防救援多機(jī)器人系統(tǒng)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述

徐少波，王子幼

（1.上海市松江區(qū)消防救援支隊(duì)，上海 201620；2.應(yīng)急管理部上海消防研究所，上海 200232）

近年來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在消防救援中的應(yīng)用愈加廣泛。但是，應(yīng)對(duì)規(guī)模較大的災(zāi)害，如地震、泥石流以及大型火災(zāi)等，作業(yè)強(qiáng)度大，作業(yè)復(fù)雜，依靠單臺(tái)機(jī)器人處置力不從心，而且單臺(tái)機(jī)器人集合過多功能也會(huì)使其體積增大、系統(tǒng)復(fù)雜度提高，增加相應(yīng)的成本并降低可靠性。于是，很多研究者開始研究將多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用到消防救援領(lǐng)域。2011年日本東北大地震導(dǎo)致福島核電站發(fā)生核泄漏事故。相關(guān)部門將功能不同的機(jī)器人應(yīng)用到核電站的災(zāi)難救援中，共同完成對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的清理、人員搜索和救援任務(wù)。2012年，中國(guó)上海奉賢一廠房發(fā)生大火，事故處置中先后調(diào)集4臺(tái)消防滅火機(jī)器人進(jìn)行強(qiáng)攻，最后取得勝利。2019年中國(guó)陜西榆林一處停車場(chǎng)槽罐車發(fā)生燃爆事故。事故處置中動(dòng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行火情監(jiān)控，動(dòng)用偵查機(jī)器人深入偵查傷亡情況及風(fēng)險(xiǎn)源頭，并動(dòng)用3臺(tái)滅火機(jī)器人近距離冷卻抑爆。

然而，以上多機(jī)器人系統(tǒng)只是數(shù)臺(tái)機(jī)器人的簡(jiǎn)單組合，機(jī)器人之間的協(xié)作依靠人工完成，效率和可靠性都受到了很大的制約。因此，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效整合，以產(chǎn)生“1+1>2”的效果。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外消防救援中多機(jī)器人應(yīng)用和研究狀況進(jìn)行了總結(jié)，隨后針對(duì)消防救援中多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同控制所涉及的任務(wù)規(guī)劃、編隊(duì)控制、定位和通信技術(shù)，歸納相關(guān)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為今后開展消防救援時(shí)多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于多機(jī)器人系統(tǒng)在消防救援中的應(yīng)用研究主要針對(duì)搜救任務(wù)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的課題組將多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦事故后的搜救任務(wù)中[1]，3臺(tái)機(jī)器人組成縱向編隊(duì)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)成員都具有探測(cè)周邊環(huán)境的能力，同時(shí)作為其他成員的信息傳輸中轉(zhuǎn)站，3臺(tái)機(jī)器人通過通信接力的方式實(shí)現(xiàn)煤礦巷道內(nèi)遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)的搭建。在分析多機(jī)器人系統(tǒng)各種常用控制體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦救援工作的特殊環(huán)境設(shè)計(jì)了適合于煤礦救援的多機(jī)器人系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)各個(gè)成員機(jī)器人自主定位系統(tǒng)所記錄的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，通過每臺(tái)機(jī)器人對(duì)前方成員運(yùn)動(dòng)軌跡的分段跟蹤，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)。武漢理工大學(xué)的課題組將多機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于城市災(zāi)害搜救任務(wù)中[2]，對(duì)其中一些關(guān)鍵技術(shù)如協(xié)同路徑規(guī)劃技術(shù)、協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等進(jìn)行研究，同時(shí)探討了多機(jī)器人搜救系統(tǒng)中任務(wù)的分配、管理等問題。

相比較而言，國(guó)外對(duì)于此類應(yīng)用研究的針對(duì)性任務(wù)更多，產(chǎn)品相對(duì)更為成熟。日本神戶大學(xué)開發(fā)的多機(jī)器人傷員搬運(yùn)系統(tǒng)，可代替救援人員進(jìn)入危險(xiǎn)地帶搬運(yùn)傷員[3]。本系統(tǒng)采用1個(gè)終端控制各個(gè)機(jī)器人。此系統(tǒng)由2臺(tái)牽引機(jī)器人以及擔(dān)架機(jī)器人組成，2臺(tái)牽引機(jī)器人先將傷員的四肢調(diào)整到合適的位置，隨后擔(dān)架機(jī)器人將傷員托起。最后，三者合作將傷員搬運(yùn)至安全地帶。雖然采用了1個(gè)終端控制各個(gè)機(jī)器人，但是各個(gè)機(jī)器人之間無(wú)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。

日本電氣通信大學(xué)開發(fā)了控制多臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行災(zāi)后搜救工作的終端[4]。同上文的多機(jī)器人系統(tǒng)控制方式不同，此機(jī)器人系統(tǒng)具備了基于領(lǐng)航跟隨關(guān)系的協(xié)同運(yùn)動(dòng)機(jī)制，機(jī)器人群組由1臺(tái)終端進(jìn)行控制，此終端將機(jī)器人激光雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行處理后以2D地圖的形式顯示出來(lái)，操作者還可以通過此終端對(duì)機(jī)器人群組中的機(jī)器人進(jìn)行重新編組，使得機(jī)器人群組在執(zhí)行任務(wù)時(shí)有了相當(dāng)大的靈活性。

日本內(nèi)務(wù)省消防災(zāi)害管理廳歷時(shí)5年，耗資13.8億日元，聯(lián)合日本東北大學(xué)、三菱公司等研發(fā)并在千葉縣市原市部署了世界上第一支消防機(jī)器人部隊(duì)，名為“Scrum Force”[5]，由4類機(jī)器人組成，包括空中監(jiān)視機(jī)器人（無(wú)人機(jī)）、地面?zhèn)刹闄C(jī)器人、水帶敷設(shè)機(jī)器人，以及滅火機(jī)器人。4類機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，完成火場(chǎng)偵查、編隊(duì)進(jìn)入火場(chǎng)、占領(lǐng)水炮陣地、水帶敷設(shè)和射水滅火等工作。此系統(tǒng)無(wú)需消防員接近著火點(diǎn)，初步實(shí)現(xiàn)了消防作戰(zhàn)無(wú)人化。

2 關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在多機(jī)器人系統(tǒng)研究領(lǐng)域中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、編隊(duì)控制技術(shù)、定位技術(shù)以及通信技術(shù)。

2.1 任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

多機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃分為任務(wù)分解和任務(wù)分配2個(gè)階段。在任務(wù)分解階段中，系統(tǒng)面臨的總體任務(wù)被劃分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子任務(wù)，再按照一定的限制約束條件把分解好的各個(gè)子任務(wù)分配給正在運(yùn)行中的每一個(gè)機(jī)器人，每個(gè)機(jī)器人通過完成各自的子任務(wù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同控制。任務(wù)分配方式大致可分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)2種。靜態(tài)分配方式中，每臺(tái)機(jī)器人所要執(zhí)行的任務(wù)被固化，難以應(yīng)對(duì)隨機(jī)多變的消防救援環(huán)境。動(dòng)態(tài)分配方式能根據(jù)機(jī)器人的工況、任務(wù)、能力和故障等特殊情形對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，以適應(yīng)復(fù)雜多變的外部環(huán)境。目前主要采用以下算法。

（1）線性規(guī)劃法：是通過研究線性約束條件下線性目標(biāo)函數(shù)的極值問題實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃的方法[6-7]。此方法的基本原理是在各種約束條件下，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代搜索，直到找到最優(yōu)解。

（2）市場(chǎng)機(jī)制法：是目前多機(jī)器人系統(tǒng)研究中常用的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配算法。市場(chǎng)機(jī)制法利用市場(chǎng)協(xié)商算法作為任務(wù)分配的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的總體“目標(biāo)”通過每個(gè)機(jī)器人之間通過特定的“協(xié)議”進(jìn)行“談判”最終達(dá)成。系統(tǒng)各個(gè)成員通過“投標(biāo)”和“中標(biāo)”形式進(jìn)行任務(wù)分配及協(xié)調(diào)。按照公平競(jìng)爭(zhēng)原則，“出價(jià)”合理且各項(xiàng)條件符合要求的機(jī)器人會(huì)被選為“中標(biāo)”機(jī)器人而承擔(dān)任務(wù)[8-9]。

目前的動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)大多停留在理論研究階段，實(shí)際應(yīng)用較少。消防救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具備較大的不確定性和隨機(jī)性，相關(guān)裝備的配置需要具備較大的處置柔性。因此，筆者認(rèn)為，較為可行的任務(wù)規(guī)劃方式是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種方法結(jié)合，即“單機(jī)任務(wù)靜態(tài)、力量調(diào)配動(dòng)態(tài)”的方法，機(jī)器人的功能和任務(wù)固定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行數(shù)臺(tái)機(jī)器人的重新編組與力量整合，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的消防救援環(huán)境。

2.2 編隊(duì)控制技術(shù)

當(dāng)任務(wù)規(guī)劃完成后，多機(jī)器人系統(tǒng)將組成編隊(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。編隊(duì)行進(jìn)期間，各個(gè)機(jī)器人相互之間的位置既要滿足幾何約束（隊(duì)形），同時(shí)又要適應(yīng)環(huán)境約束（如規(guī)避障礙物）。編隊(duì)控制技術(shù)需要解決的問題主要是編隊(duì)生成、編隊(duì)穩(wěn)定、切換編隊(duì)、系統(tǒng)避障以及編隊(duì)自適應(yīng)。目前常見的編隊(duì)控制策略如下。

（1）領(lǐng)航跟隨法[10-11]：是指在多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)中，設(shè)定一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人作為編隊(duì)的領(lǐng)航者，其他機(jī)器人作為跟隨者。跟隨機(jī)器人以領(lǐng)航者的位姿信息為參考根據(jù)事先約定的規(guī)則調(diào)整自身的位姿，從而實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制。

（2）基于行為法[12]：是指多機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)上層決策系統(tǒng)，對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)成員的行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過底層控制系統(tǒng)在各個(gè)機(jī)器人成員上實(shí)現(xiàn)，并通過這些基本行為進(jìn)行組合來(lái)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的整體控制。

（3）虛擬結(jié)構(gòu)法[13]：將所期望的編隊(duì)形狀抽象為多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人組成的“剛體”，“剛體”中的節(jié)點(diǎn)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需要抵達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)，通過完成跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制。

由于領(lǐng)航跟隨法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，只需指定領(lǐng)航者即可實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制，便于進(jìn)行靈活編組，非常適合消防救援現(xiàn)場(chǎng)使用。但是，領(lǐng)航機(jī)器人運(yùn)動(dòng)一旦出現(xiàn)故障或跟隨機(jī)器人無(wú)法正常對(duì)其進(jìn)行跟蹤時(shí)，整個(gè)隊(duì)形將混亂甚至崩潰。消防救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣，機(jī)器人各種狀況都有可能發(fā)生。針對(duì)以上情況，研究者給出不少解決方法。例如，文獻(xiàn)[14]中，機(jī)器人編隊(duì)能夠根據(jù)各個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況及時(shí)修改控制參數(shù)，以滿足編隊(duì)中其他成員的位置產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)約束。機(jī)器人編隊(duì)中的跟隨者的運(yùn)動(dòng)不僅以領(lǐng)航者為參考，還需要考慮其他成員對(duì)其構(gòu)成的影響。這類研究可以有效解決領(lǐng)航機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，其余機(jī)器人繼續(xù)組成編隊(duì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的問題。

2.3 定位技術(shù)

定位技術(shù)是多機(jī)器人系統(tǒng)成員之間進(jìn)行協(xié)同工作的重要信息保障，其與系統(tǒng)成員的編隊(duì)控制、路徑規(guī)劃等功能息息相關(guān)。多機(jī)器人系統(tǒng)所采用的定位技術(shù)同單機(jī)器人的定位技術(shù)有相通之處，大致可分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位兩種。絕對(duì)定位指通過GPS-RTK、地標(biāo)等硬件求得機(jī)器人編隊(duì)在全局地圖中的絕對(duì)坐標(biāo)。相對(duì)定位是指初始時(shí)刻編隊(duì)信息，通過累計(jì)信息獲取運(yùn)動(dòng)變化的慣性定位方法，如慣導(dǎo)、SLAM等。但是，消防救援現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工況，對(duì)傳感器的精度和可靠性都會(huì)造成不良的影響，因此，在消防救援現(xiàn)場(chǎng)建議采用協(xié)作定位技術(shù)。協(xié)作定位技術(shù)中，絕對(duì)定位和相對(duì)定位2種技術(shù)搭配使用，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。尤其是在消防救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，相互之間的觀測(cè)結(jié)果互為路標(biāo)，并通過信息的發(fā)布和接收，共享各個(gè)機(jī)器人測(cè)量得到的位姿和環(huán)境信息，定位結(jié)果更為精確，冗余度更高，抗干擾能力更強(qiáng)。

2.4 通信技術(shù)

相互之間的運(yùn)動(dòng)信息的及時(shí)發(fā)布與接收是多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同工作有效開展的基礎(chǔ)，而一套穩(wěn)定的通信系統(tǒng)是機(jī)器人之間進(jìn)行信息傳遞的基礎(chǔ)。多機(jī)器人系統(tǒng)研究中的通信系統(tǒng)通?？梢苑譃轱@式通信和隱式通信[15]。顯式通信方式中，多機(jī)器人系統(tǒng)在既有通信網(wǎng)絡(luò)支持下，按照事先約定的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)布與接收。由于消防救援現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施毀壞嚴(yán)重，各種干擾信號(hào)很多，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性有極高的要求。因此，通常采用分布性網(wǎng)絡(luò)，而且需要具備較強(qiáng)的自組織性。目前研究中，常用于消防救援現(xiàn)場(chǎng)的顯示通信方式主要有mesh網(wǎng)絡(luò)和ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。

隱式通信中，機(jī)器人利用自身配備的傳感器所獲得的外部信息實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的協(xié)同作業(yè)。與顯式通信不同，此時(shí)，機(jī)器人不再依賴相互傳遞的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行協(xié)作，而是通過自身傳感器獲取的外部信息感知系統(tǒng)中其他成員的運(yùn)動(dòng)信息，可以作為顯式通信的一個(gè)有力補(bǔ)充。然而，隱式通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有較大難度，目前尚處于理論研究階段，對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)在消防救援現(xiàn)場(chǎng)通信條件惡劣環(huán)境下正常工作有著重要意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前針對(duì)多機(jī)器人系統(tǒng)研究方興未艾，各種新型技術(shù)以及算法層出不窮，已經(jīng)在某些領(lǐng)域有了應(yīng)用。然而，消防救援任務(wù)涉及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，而且消防救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣且多變，對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用是非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，在未來(lái)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)時(shí)，必須將系統(tǒng)的可靠性和靈活性放在第一位，使其能更有效地執(zhí)行消防救援任務(wù)，降低人員的風(fēng)險(xiǎn)。