多模消防機(jī)器人在應(yīng)急領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

黃淵 劉弘毅

摘要：消防救援隊(duì)伍所面臨的火災(zāi)撲救、搶險(xiǎn)救援及社會(huì)救助環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜多樣化，給消防救援工作帶來巨大挑戰(zhàn)，利用傳統(tǒng)監(jiān)測救援方式根本無法達(dá)到預(yù)期救援效果，很容易給人民生命財(cái)產(chǎn)及救援人員自身安全帶來嚴(yán)重威脅。為解決高溫、有毒、濃煙等安全問題，本文以闡述消防機(jī)器人概述為基礎(chǔ)，分析當(dāng)代消防救援工作面臨的新挑戰(zhàn)，針對相關(guān)問題，提出合理利用智能裝備來應(yīng)對各種消防救援事故，如多模消防機(jī)器人，降低消防救援人員傷亡率，提高日常救援效率，保證群眾的生命安全。

關(guān)鍵詞：多模消防機(jī)器人；應(yīng)急領(lǐng)域；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前言

隨著當(dāng)前國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展提升，我國地下建筑、高層建筑、大型石化企業(yè)數(shù)量呈現(xiàn)逐年遞增的態(tài)勢，由于這些建筑具有較強(qiáng)的特殊性，無形中提高各種安全隱患的出現(xiàn)概率，如坍塌、化學(xué)危險(xiǎn)品、放射性物質(zhì)泄露、火災(zāi)、爆炸等事故，給群眾生命安全帶來嚴(yán)重威脅。同時(shí)，這種復(fù)雜安全事故現(xiàn)場給消防救援人員應(yīng)急救援工作帶來嚴(yán)重影響，如果其沒有充分的火情及事故現(xiàn)場分析判斷和相應(yīng)設(shè)備做依靠，就冒然沖進(jìn)事故現(xiàn)場進(jìn)行救援，不僅無法完成救援任務(wù)，還可能增加救援人員傷亡率。特別在新消防法實(shí)施以來，搶險(xiǎn)救援工作成為消防救援機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)。為了更好解決上述問題，消防機(jī)器人配備顯得尤為重要。為進(jìn)一步深化消防救援隊(duì)伍信息化建設(shè)成果，消防救援部門要充分利用以消防救援指揮系統(tǒng)為中心的調(diào)度指揮平臺(tái)和智能化無人裝備，將其應(yīng)用到日常應(yīng)急救援中，來提高救援效率，避免安全事故給人們生命安全帶來嚴(yán)重影響?；诖?，本文通過闡述消防機(jī)器人概述為基礎(chǔ)，分析當(dāng)代消防救援工作面臨的新挑戰(zhàn)，針對問題合理利用智能裝備，來應(yīng)付各種安全事故，如多模消防機(jī)器人，降低消防救援人員傷亡率，提高日常救援效率，保證人們的生命安全。

一、消防機(jī)器人概述

消防機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇，具備爬坡及障礙物跨越，耐高溫和抗輻射，防雨、防爆、防化學(xué)腐蝕、防電磁，遙控或半自主行駛功能?？梢源嫦绬T在惡劣環(huán)境中進(jìn)行火場偵察、化學(xué)危險(xiǎn)品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏等作業(yè)，保障消防員的安全，提升搶險(xiǎn)救災(zāi)能力。

消防機(jī)器人融合了機(jī)械工業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制理論和人工智能等技術(shù)，它的應(yīng)用可以有效解決人工消防存在的問題。國外消防機(jī)器人目前百花齊放，逐步向智能化人形機(jī)器人發(fā)展。國內(nèi)消防機(jī)器人主要以程序控制履帶式消防車為主，智能化升級(jí)空間巨大。

二、消防應(yīng)急救援的作用

黨的二十大報(bào)告提出，要深入實(shí)施新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略。新型城鎮(zhèn)化是以人為核心、面向中國式現(xiàn)代化進(jìn)程需求的城鎮(zhèn)化。站在新型城鎮(zhèn)化發(fā)展角度來看，創(chuàng)新型智慧消防建設(shè)是城市公共安全在智慧城市建設(shè)體系中的主要核心點(diǎn)。因此，在構(gòu)建應(yīng)急救援體系過程中，要提前確定智慧消防建設(shè)的基本要求，針對要求制定對應(yīng)的實(shí)施政策，從而提高應(yīng)急消防救援效率。各單位要提高對消防安全的重視程度，結(jié)合本企業(yè)實(shí)際情況制定健全的安全管理制度，配備多種多樣的智能化消防救援設(shè)備和信息采集系統(tǒng)。應(yīng)急消防救援隊(duì)伍在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)獲取火災(zāi)現(xiàn)場全方位信息，通過調(diào)度指揮平臺(tái)的集中決策指揮，開展消防救援工作。既可以保護(hù)消防救援人員的生命安全，又能提升消防救援的工作效率和成果。

三、新階段給消防救援工作帶來的新挑戰(zhàn)

（一）新材料的廣泛應(yīng)用，讓非傳統(tǒng)消防安全面臨新問題

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，新能源、新材料被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活當(dāng)中，譬如高比能量鋰電池的大量應(yīng)用就給火災(zāi)救援工作帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2021年底我國新能源電動(dòng)汽車保有量達(dá)到784萬輛，電動(dòng)三輪車、電動(dòng)自行車等電動(dòng)自行車輛年銷售量達(dá)到4300萬輛，大部分將鋰電池作為動(dòng)力來源，無形中提高了鋰電池火災(zāi)的發(fā)生概率。但針對鋰電池火災(zāi)的消防應(yīng)急技術(shù)還未完善，在救援中很容易受到環(huán)境、工藝、材料等因素影響，導(dǎo)致消防員無法在短時(shí)間內(nèi)控制鋰電池引發(fā)的火災(zāi)，甚至出現(xiàn)二次爆炸等衍生災(zāi)害。從化學(xué)性能方面來看，鋰電池是以鋰離子電池為主體，其存儲(chǔ)各種能量具有較強(qiáng)的爆炸風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，無論是電動(dòng)新能源領(lǐng)域電池還是儲(chǔ)能行業(yè)的大型電池組，都具有較強(qiáng)的危險(xiǎn)性。如何降低這種風(fēng)險(xiǎn)，將危險(xiǎn)控制在合理范圍內(nèi)是目前急需考慮的問題。

（二）有限空間內(nèi)災(zāi)害頻發(fā)，給傳統(tǒng)應(yīng)急救援工作帶來新的挑戰(zhàn)

2021年，我國的城鎮(zhèn)化率已達(dá)到64.72%，超大、特大城市數(shù)量已達(dá)到21個(gè)。城市規(guī)模的快速發(fā)展必然帶來人民群眾在地鐵、隧道、高架橋等快速交通場所內(nèi)活動(dòng)時(shí)間、規(guī)模的增加，隨之而來的就是有限空間內(nèi)的應(yīng)急救援工作面臨全新的挑戰(zhàn)。城市軌道交通路網(wǎng)復(fù)雜，帶電設(shè)備多，一旦發(fā)生意外事故，救援人員及裝備無法快速適應(yīng)復(fù)雜地形，不能及時(shí)到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場，給應(yīng)急救援工作造成嚴(yán)重影響。同時(shí)，六月份我國大多城市都會(huì)進(jìn)入到汛期，城市人口活動(dòng)數(shù)量增加，氣候條件愈發(fā)復(fù)雜多變，無形中提高洪澇水害的救援難度，河南鄭州“7.20”特大暴雨災(zāi)害事件就是典型案例。

四、多模消防機(jī)器人在應(yīng)急領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

消防機(jī)器人能代替應(yīng)急消防救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場，進(jìn)行火情探測、圖像反饋、智能處理、應(yīng)急處置等工作，能夠及時(shí)高效地完成救援處置任務(wù)，降低人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。雖然起步較晚，但是我國消防機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，主要企業(yè)有中信重工開誠智能、上海格拉曼、北京晶品特裝等企業(yè)單位。消防機(jī)器人的發(fā)展趨勢是系列化、多功能化、智能化和任務(wù)協(xié)同化。

多模消防機(jī)器人是相較于傳統(tǒng)消防機(jī)器人而言，在較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力基礎(chǔ)上，具有多維感知、智能決策和高效執(zhí)行等多種關(guān)鍵技術(shù)復(fù)合一體的機(jī)器人，這類機(jī)器人技術(shù)的核心是智能控制算法。

在探測感知方面，采用多相機(jī)、多光譜的方法和SLAM技術(shù)進(jìn)行視覺感知與測量，輔以北斗定位或用慣性測量單元IMU等位置傳感器對機(jī)器人進(jìn)行同步定位與地圖構(gòu)建，有效應(yīng)對危險(xiǎn)復(fù)雜場景。

在智能決策方面，以指揮員對消防機(jī)器人的主動(dòng)控制指令為基礎(chǔ)，輔以機(jī)器人平臺(tái)上搭載的計(jì)算機(jī)，通過人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，對應(yīng)急救援現(xiàn)場做出半自主的提示、告警，以及危險(xiǎn)情況來源的判別，完成數(shù)據(jù)收集、處理、反饋、處置工作。

在高效執(zhí)行方面，面對復(fù)雜多樣的處置任務(wù)，消防機(jī)器人能夠攜帶多種工具并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速更換，整機(jī)重量應(yīng)在150公斤以上，抓重比要達(dá)到3倍以上，具有拖拽功能，必要時(shí)能協(xié)助完成傷員救助。

（一）地下建筑和密閉空間的滅火救援

地下建筑和密閉空間的使用帶來各種火災(zāi)安全隱患，且這種類型的建筑物火災(zāi)救援難度較大，傳統(tǒng)應(yīng)急救援方式根本無法滿足救援要求，很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的人員傷亡。主要原因是地下空間屬于密閉空間，當(dāng)遇到火災(zāi)問題時(shí)溫度會(huì)逐漸上升，很難散熱，且會(huì)短時(shí)間內(nèi)積聚大量熱煙氣，消防員一旦進(jìn)入到火災(zāi)現(xiàn)場后，很容易給自身生命安全帶來嚴(yán)重影響，更不要說進(jìn)行應(yīng)急救援工作。而多模消防機(jī)器人能解決密閉空間中救援工作遇到的技術(shù)問題，通過探測感知模塊對密閉空間的大小、障礙物方位進(jìn)行快速探測和定位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)待救援人員、需處置設(shè)備，有效克服現(xiàn)場各種不利條件的限制，不僅能代替很多消防救援人員進(jìn)行應(yīng)急救援工作，還能降低火災(zāi)帶來的影響范圍。

（二）地鐵、隧道等突發(fā)事件的搶險(xiǎn)救援

地鐵、隧道空間狹小，車輛和人員只能通過前后方向進(jìn)出通道，很容易出現(xiàn)火災(zāi)、水災(zāi)交通堵塞和停電等類事故，普遍具有一維單向性特點(diǎn)。發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，隧道、地鐵等區(qū)域需要依據(jù)事故發(fā)生類型予以應(yīng)對，需要對災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)、位置和危險(xiǎn)程度有科學(xué)的判斷和處置方案。多模消防機(jī)器人可布置在高速消防救援處置營地甚至地鐵、隧道內(nèi)的重點(diǎn)區(qū)段處，24小時(shí)處于待機(jī)“偵察值守”狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)警情時(shí)，多模消防機(jī)器人可快速啟動(dòng)，通過指揮控制平臺(tái)的遙控實(shí)現(xiàn)“零距離”、“秒到場”，可大大提升高速公路、地鐵隧道應(yīng)急救援效率。

（三）石油化工、危險(xiǎn)品泄漏等高危場所的火災(zāi)撲救

石油化工行業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)體系的重要環(huán)節(jié)，行業(yè)發(fā)展能有效滿足社會(huì)生產(chǎn)生活行業(yè)的化工產(chǎn)品需求，但由于石油化工行業(yè)在日常生產(chǎn)中具有較強(qiáng)的特殊性，無論是工藝環(huán)境還是原料生產(chǎn)都具有較強(qiáng)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，所以在這類高危場所的滅火救援中，多模消防機(jī)器人可以代替消防救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧或濃煙等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場進(jìn)行探測、搜救，有效地解決消防救援人員在上述場所面臨的人身安全威脅、數(shù)據(jù)信息采集不足等問題。消防救援人員可使用多模消防機(jī)器人進(jìn)行高危場所控制，由多模消防機(jī)器人在毒氣泄漏區(qū)域內(nèi)半自主進(jìn)行火災(zāi)救援和堵漏救援工作。多模消防機(jī)器人可自帶水炮噴射大量霧狀水流，快速驅(qū)散泄漏毒氣，有效降低傷亡程度，妥善解決事故現(xiàn)場各種風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語

綜上所述，在信息化時(shí)代背景下，多模消防機(jī)器人可成為應(yīng)急救援工作中的重要工具，其不僅能提高救援工作效率，還能降低消防救援人員傷亡率，對整個(gè)應(yīng)急救援工作有重要作用。但從目前消防機(jī)器人應(yīng)急救援裝備的種類和數(shù)量來看，普遍還具有成本偏高、功能單一、缺少智能協(xié)同等問題，消防機(jī)器人在應(yīng)急救援中的應(yīng)用范圍被嚴(yán)重限制。針對該種情況，相關(guān)部門要提高對消防機(jī)器人的重視程度，進(jìn)一步加強(qiáng)消防機(jī)器人的投入力度，創(chuàng)新消防機(jī)器人技術(shù)，提高其應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馮淮河.消防展上走馬觀花看個(gè)體防護(hù)裝備——2021第十九屆中國國際消防設(shè)備技術(shù)交流展覽會(huì)見聞［J］.中國個(gè)體防護(hù)裝備，2021（5）：43-45.

［2］ 陶群柱.基于姿態(tài)和壓力信息的外骨骼機(jī)器人步態(tài)識(shí)別算法研究［D］.湖北：武漢理工大學(xué)，2020.

［3］ 周伯男.基于ROS的自平衡消防機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)［D］.浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2020.

［4］ 王若超.基于機(jī)器視覺的移動(dòng)消防偵察機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.河北：燕山大學(xué)，2020.

［5］ 王華鮮.基于協(xié)同主動(dòng)感知的移動(dòng)消防機(jī)器人環(huán)境探測研究［D］.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2020.

［6］ 陳文浩.基于LiDAR與IMU融合的SLAM算法研究及其在校園巡檢機(jī)器人上的應(yīng)用［D］.湖北：華中師范大學(xué)，2020.

［7］ 張航.基于紅外熱成像的消防滅火機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究［D］.江蘇：南京航空航天大學(xué)，2019.

［8］ 周萍.基于火災(zāi)救援場景的機(jī)會(huì)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)消息轉(zhuǎn)發(fā)方法的研究［D］.江蘇：南京郵電大學(xué)，2019.