人工智能在消防裝備中的應(yīng)用

俞 晨

（北京市懷柔區(qū)消防救援支隊(duì)，北京 101400）

人工智能技術(shù)的應(yīng)用背景是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，自人工智能技術(shù)誕生以來(lái)各行各業(yè)都在向著智能化方向邁進(jìn)，利用人工智能技術(shù)人類從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，人工智能可以代替人們完成那些危險(xiǎn)系數(shù)高、精確度要求高的工作，提高了勞動(dòng)效率與工作質(zhì)量。消防裝備是消防救援工作有效開(kāi)展的重要基礎(chǔ)，在運(yùn)用人工智能技術(shù)后消防裝備的智能化水平提升，救援效率、救援效果都發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，也保障了消防人員與人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 人工智能與消防裝備

人工智能屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要分支，目前在機(jī)器人、控制系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。人工智能也可以理解為利用計(jì)算機(jī)模擬人的思維與行為，比如自主學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等，目前已基本囊括了自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的全部學(xué)科[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，消防在保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，消防安全也逐漸成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。但是消防救援具有較高的危險(xiǎn)性，我國(guó)每年都有消防隊(duì)員在火災(zāi)撲救、搶險(xiǎn)救援工作中失去寶貴的生命。為有效降低消防救援的危險(xiǎn)系數(shù)，保障消防人員的個(gè)人安全，人工智能技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于消防救援裝備中，消防人員利用智能化消防救援裝備從事一些難度系數(shù)較高、危險(xiǎn)性較大的搶險(xiǎn)救援工作，在保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的同時(shí)消防人員的生命安全也得到了保護(hù)。

2 人工智能在消防裝備中的具體應(yīng)用

2.1 消防機(jī)器人

目前針對(duì)消防機(jī)器人的研究已經(jīng)在世界各地廣泛展開(kāi)，我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究開(kāi)始于20 世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展已經(jīng)可以在滅火、偵察、救援、排爆等危險(xiǎn)工作中替代消防人員完成作業(yè)。在消防救援工作中消防機(jī)器人往往需要進(jìn)入有毒、濃煙、高溫、缺氧的環(huán)境中，因此應(yīng)具有耐高溫、防煙霧等性能。在進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后消防機(jī)器人通過(guò)高清攝像頭能夠快速精準(zhǔn)的識(shí)別火場(chǎng)中的物體、確定物體的大小；利用感應(yīng)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、氣體，確定著火點(diǎn)位置；通過(guò)圖像處理技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互并完成信息的傳輸。隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，消防機(jī)器人的類型也逐步細(xì)化，比如滅火機(jī)器人可以進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域完成探測(cè)、偵察工作，還可通過(guò)攜帶的消防水炮對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行噴射滅火或者進(jìn)行冷卻降溫。第120 頁(yè)圖1 為消防救援中3 種常見(jiàn)的消防機(jī)器人。

圖1 消防機(jī)器人

1）火場(chǎng)溫度的監(jiān)測(cè)。消防機(jī)器人安裝有紅外溫度傳感器，可以接收到來(lái)自于火場(chǎng)內(nèi)物體的紅外線輻射，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化后輸送到控制端，消防人員通過(guò)發(fā)射紅外線的強(qiáng)度可以確定物體表面溫度。

2）火場(chǎng)可燃?xì)怏w的檢測(cè)。消防機(jī)器人安裝有可燃?xì)怏w傳感器，其原理是利用了金屬鉑絲高溫狀態(tài)下電阻發(fā)生變化的特性。當(dāng)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)有煤氣等可燃?xì)怏w進(jìn)入到傳感器內(nèi)接觸到鉑絲就會(huì)形成氧化反應(yīng)，鉑絲在受熱狀態(tài)下表面溫度迅速升高，其電阻就會(huì)發(fā)生變化，可燃?xì)怏w的濃度越高反應(yīng)越劇烈，溫度升高速度越快，電阻增大也越快。第120 頁(yè)圖2 所示的電路圖是當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)怏w時(shí)鉑絲電阻發(fā)生變化情況通過(guò)電信號(hào)的形式表達(dá)出來(lái)。

圖2 電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的工作電路圖

3）機(jī)器視覺(jué)測(cè)距。消防機(jī)器人安裝有激光測(cè)距傳感器，能夠精準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)物體的尺寸以及機(jī)器人與目標(biāo)物體之間的距離，從而更快確定著火點(diǎn)。激光測(cè)距的原理是利用了光的傳播速度，光的傳播速度是一定的，只需要測(cè)量激光束從傳感器上發(fā)出到返回的時(shí)間即可計(jì)算出距離[2]。計(jì)算公式為

式中：d 為機(jī)器人與目標(biāo)物體之間的距離；c 為激光傳播的速度；t 為激光束往返的時(shí)間。

由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，存在許多危險(xiǎn)因素，為了保證消防機(jī)器人的安全，還需要在機(jī)器人上安裝毫米波雷達(dá)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)器人周圍環(huán)境，當(dāng)有障礙物或者有物體墜落時(shí)能夠及時(shí)避開(kāi)。

為保證機(jī)器人拍攝的圖像更加清晰，濾除掉圖像中的多余噪點(diǎn)，可采用均值濾波加高斯濾波的方式，這樣能夠去除圖像中大部分的噪點(diǎn)。均值濾波是一種典型的線性濾波算法，以拍攝目標(biāo)為中心取9 個(gè)像素點(diǎn)數(shù)值計(jì)算平均值，然后替換目標(biāo)像素點(diǎn)的數(shù)值。但均值濾波也存在不足，在圖像去噪的時(shí)候也對(duì)圖像本身造成一定的破壞，導(dǎo)致圖像清晰度差。而高斯濾波則是一種線性平滑濾波算法，可有效去除高斯濾波噪點(diǎn)，具體做法是用一個(gè)模板掃描圖像中的所有像素，用模板確定的鄰域內(nèi)像素的加權(quán)平均灰度值去替代模板中心像素點(diǎn)的值。二維分布公式為

式中：x2與y2為圖像中鄰域內(nèi)其他像素點(diǎn)與中心像素點(diǎn)之間的距離；σ2為方差。

4）火場(chǎng)中貴重物品的搶救。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后被困人員應(yīng)在第一時(shí)間考慮如何快速逃生，但現(xiàn)實(shí)中人們往往想到的是如何快速搶救自己的貴重物品，最終導(dǎo)致自己身陷火海。在使用了消防機(jī)器人后可以幫助人們快速搜尋火場(chǎng)中的貴重物品并完成搶救。消防機(jī)器人通過(guò)自身的溫度傳感器監(jiān)測(cè)到火場(chǎng)內(nèi)環(huán)境的溫度以及物體的溫度，通過(guò)高清攝像頭獲取到清晰的圖像，通過(guò)分析物體大小尺寸判斷機(jī)器人的機(jī)械手臂能否拿起。完成這一系列操作后消防救援機(jī)器人可以進(jìn)入火場(chǎng)中，在繞開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域以及躲避高處墜物后找到需要搶救的貴重物品并成功帶出。這樣既減少受災(zāi)人員的經(jīng)濟(jì)損失，又保障了被困人員與消防人員的生命安全[3]。

5）火場(chǎng)排煙控制災(zāi)情。有些場(chǎng)所發(fā)生火災(zāi)后會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，比如隧道、地下建筑等場(chǎng)所。煙霧中含有大量有毒有害氣體，會(huì)造成大量人員傷亡，并且能見(jiàn)度過(guò)低也會(huì)影響消防人員的救援行動(dòng)。消防排煙機(jī)器人可以通過(guò)外設(shè)高壓水驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，將著火點(diǎn)周圍的煙霧快速吹散，高壓水經(jīng)過(guò)風(fēng)扇后還起到了霧化的效果，既可以起到降溫的作用，還能夠洗滌煙霧減少毒氣的生成，從而有效控制和減弱災(zāi)情。

2.2 消防無(wú)人機(jī)

現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)有很多地區(qū)的消防部門使用了消防無(wú)人機(jī)，用于火場(chǎng)偵查、目標(biāo)搜索、拋投救援物資、通信中繼等，在消防救援工作中發(fā)揮著非常重要的作用。無(wú)人機(jī)的機(jī)身全部采用了高強(qiáng)度、高模量的碳纖維材料，具有耐高溫、抗摩擦、導(dǎo)熱好、耐腐蝕、體量輕等優(yōu)良性能，安裝了防火等級(jí)較高的動(dòng)力系統(tǒng)，搭配云數(shù)字平臺(tái)、GPS 定位系統(tǒng)、高清攝像頭。消防部門利用無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高空火情偵查、精確定位、空中消防滅火、特殊環(huán)境下的搜救等任務(wù)，尤其是高層建筑滅火救援、有毒有害環(huán)境偵查與搜救等，圖3 為無(wú)人機(jī)火場(chǎng)偵查流程圖。消防部門可同時(shí)出動(dòng)消防無(wú)人機(jī)和消防機(jī)器人，兩者相互配合，形成空中與地面協(xié)同的立體式消防作戰(zhàn)體系。

圖3 無(wú)人機(jī)火場(chǎng)偵查流程圖

消防無(wú)人機(jī)的具體應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面[4]。

1）監(jiān)控火勢(shì)的發(fā)展。當(dāng)野外或森林發(fā)生火災(zāi)后在風(fēng)的影響下火勢(shì)會(huì)向著不可預(yù)知的方向蔓延，搭載了熱成像儀與高清攝像頭的無(wú)人機(jī)可以在高空進(jìn)行觀察，不會(huì)受到濃煙的影響，快速識(shí)別與定位，減少煙霧與熱量對(duì)消防隊(duì)員帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2）實(shí)現(xiàn)快速滅火。在確定火災(zāi)著火點(diǎn)、火勢(shì)發(fā)展方向后，無(wú)人機(jī)可以搭載干粉滅火罐、水龍帶、專用滅火彈等裝備，不受復(fù)雜地形的影響，與地面消防人員配合，實(shí)現(xiàn)高空與低空的立體化作業(yè)，快速撲滅大火。

3）完成快速搜救。當(dāng)前危險(xiǎn)發(fā)生后被困人員會(huì)遇到各種不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，比如在野外會(huì)受到低溫、跌落、動(dòng)物侵襲等，救援人員也會(huì)受到地形、天氣等環(huán)境因素的影響。消防無(wú)人機(jī)無(wú)懼地形、天氣因素的影響，使搜救工作更快捷、更安全，通過(guò)搭載的傳感器實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別、定位，還可以實(shí)現(xiàn)向偏遠(yuǎn)地帶輸送醫(yī)療物資等[5]。

2.3 智能煙火識(shí)別

目前在預(yù)防火災(zāi)方面智能煙火識(shí)別系統(tǒng)發(fā)揮了非常重要的作用，當(dāng)智能視頻分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境內(nèi)發(fā)生煙霧、火苗時(shí)就會(huì)快速進(jìn)行識(shí)別與分析，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將獲取的報(bào)警信息、視頻以及視頻截圖存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中或者上傳到云端，以備查驗(yàn)。工作人員可以隨時(shí)獲取并查看報(bào)警記錄與報(bào)警視頻，做出相應(yīng)的處理措施。

在智能煙火識(shí)別系統(tǒng)中，通過(guò)安裝的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的濃煙、煙火等現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)智能分析與人工智能算法進(jìn)行有效識(shí)別，對(duì)于復(fù)雜狀況下的識(shí)別率可以達(dá)到80%，利用智能監(jiān)控?cái)z像頭就可以準(zhǔn)確識(shí)別，并不再需要其他類型的傳感設(shè)備。

在智能煙火識(shí)別系統(tǒng)中運(yùn)用了無(wú)線通信技術(shù)，當(dāng)前5G 技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)智能煙火識(shí)別系統(tǒng)起到了助推作用，尤其是當(dāng)前林業(yè)部門的護(hù)林防火，逐步推進(jìn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)與布局。目前我國(guó)已經(jīng)有很多省份的林業(yè)站已經(jīng)建立了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可有效降低森林火災(zāi)發(fā)生的概率，對(duì)于大面積的森林，也可以通過(guò)在高處搭建監(jiān)控球機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)全天候防火監(jiān)控。智能視頻煙火識(shí)別系統(tǒng)可以24 小時(shí)無(wú)人不間斷進(jìn)行識(shí)別分析，針對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警，節(jié)約了大量人力、物力，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了防火防災(zāi)的智能化管理[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，人工智能技術(shù)的應(yīng)用大大提高了消防裝備的實(shí)戰(zhàn)能力，消防人員通過(guò)消防機(jī)器人、消防無(wú)人機(jī)可以及時(shí)有效地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的情況，為快速制定救援方案提供參考。消防機(jī)器人、消防無(wú)人機(jī)能夠快速定位著火點(diǎn)、快速排煙、判斷火勢(shì)發(fā)展、快速定位受困人員、完成貴重物品的搶救、實(shí)現(xiàn)快速滅火等，成為消防救援行動(dòng)的第一大助力。相信隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將有更多先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到消防裝備當(dāng)中，大幅度提高消防救援的安全性與可靠性，減少救援物資的消耗。