一種自動化巡防的消防機器人系統(tǒng)設(shè)計

曹志杰

中國恩菲工程技術(shù)有限公司 北京 100038

0 引言

因建筑和企業(yè)生產(chǎn)的特殊性，存在化學(xué)危險品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌的事故隱患，隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對化學(xué)危險品和放射性物質(zhì)的工業(yè)需求也同步增加，事故發(fā)生的風(fēng)險也逐年提高。一旦發(fā)生災(zāi)害事故，消防員面對高溫、黑暗、有毒、濃煙等危害環(huán)境時，若沒有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進現(xiàn)場，不僅不能完成滅火任務(wù)，還會造成人員傷亡。消防機器人作為特種機器人的一種，在滅火和搶險救援中發(fā)揮著愈加重要的作用。

當(dāng)前各種大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等不斷增多，油品燃氣、毒氣泄漏爆炸、隧道塌方等災(zāi)害隱患不斷增加。此類災(zāi)害具有突發(fā)性強、處置過程復(fù)雜、危害巨大、防治困難等特點。消防機器人能代替消防救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災(zāi)害事故現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋，有效地解決消防人員在上述場所面臨的人身安全、數(shù)據(jù)信息采集不足等問題?，F(xiàn)場指揮人員可以根據(jù)其反饋結(jié)果，及時對災(zāi)情進行科學(xué)判斷，并對災(zāi)害事故現(xiàn)場工作作出正確、合理的決策。

在大型的工廠、倉庫、商場、學(xué)校、醫(yī)院、賓館等人流和物料較密集的地方都需要配置消防設(shè)施。常見的消防設(shè)施有滅火器、消防栓、泡沫滅火系統(tǒng)、消防斧、火災(zāi)探測器、自動噴淋裝置等，其中大部分消防設(shè)施屬于火災(zāi)發(fā)生后人工滅火的工具。火災(zāi)探測器是用來檢測火災(zāi)的傳感器，通過報警通知進行滅火；自動噴淋裝置是通過煙感、溫度等傳感器檢測到火情后，自動噴水進行局部滅火的裝置。然而，某些場合不適合用水噴淋滅火，一些大型的商場、工廠、平面?zhèn)}庫、立體倉庫等場所堆積的貨物較密集，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，固定位置的噴淋裝置和人工消防栓無法到達著火點，需要有一種可以在火情初期微小火苗的情況下，精準對著火點進行滅火的裝置和方法，在火災(zāi)前期以最小的代價，把火災(zāi)控制在最小范圍進行滅火。本文設(shè)置了一種在空中軌道懸掛行駛、可以自動巡防的滅火機器人裝置，通過視頻識別和溫度遠程檢測的方式自動尋找著火點，使用控制算法自動調(diào)整攜帶的干粉滅火炮噴射角度和覆蓋范圍，自動噴射干粉進行滅火，同時啟動火警，在火災(zāi)初期進行控制和滅火。

自動巡防消防機器人比傳統(tǒng)的定點消防、人工操作滅火能更及時的發(fā)現(xiàn)火情，從被動救火轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉ふ液皖A(yù)防，通過智能機器人裝置實現(xiàn)滅火。

1 自動巡防滅火系統(tǒng)組成

1.1 自動滅火機器人裝置

如圖1 所示，自動滅火機器人裝置主要由干粉消防炮、紅外溫度探測器、攝像頭、回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)馬達等組成。其中干粉消防炮用于定點噴射干粉滅火，紅外溫度探測器用來檢測視角范圍內(nèi)的高溫著火點，攝像頭用于對著火點進行圖像識別，回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)用于實現(xiàn)消防炮360°旋轉(zhuǎn)，伸縮機構(gòu)是由三級液壓缸組成（見圖2），實現(xiàn)消防炮的升降，旋轉(zhuǎn)馬達實現(xiàn)消防炮俯仰角度的調(diào)整。

圖1 自動巡防滅火裝置

圖2 三級伸縮機構(gòu)示意圖

該種自動巡防滅火機器人裝置是一種攜帶消防炮、沿著設(shè)定的封閉軌道進行自動巡防的智能系統(tǒng)。自動化巡防機器人裝置的消防炮的懸掛結(jié)構(gòu)類似于一種云臺設(shè)施，有4 個自由度的角度和方向調(diào)整，設(shè)備可以沿著軌道前進、后退，消防炮支架可以自由伸縮、旋轉(zhuǎn)、俯仰，可以根據(jù)著火點自動調(diào)節(jié)角度，在巡防消防機器人行駛范圍內(nèi)，可以覆蓋更大的檢測范圍。

自動巡防滅火機器人裝置中的運行輪用于在懸掛軌道上行駛，攜帶自動滅火裝置沿著既定的軌道進行定期巡防，通過攝像頭可把現(xiàn)場的巡防畫面數(shù)據(jù)實時回傳到集控中心進行展示和存儲；同時與現(xiàn)場的火警報警系統(tǒng)聯(lián)動，一旦發(fā)現(xiàn)火情，自動滅火的同時還會觸發(fā)火警。滅火裝置中的消防炮是一種干粉滅火器，通過電子觸發(fā)自動噴射干粉，瞬間隔絕火焰周圍的空氣，在缺氧的狀態(tài)下實現(xiàn)滅火。紅外溫度傳感器用于遠程檢測一定范圍內(nèi)的溫度分布點位，判斷是否存在著火點。在消防炮下方吊掛的高清攝像頭與消防炮噴射方向一致，是一種瞄準器，當(dāng)紅外傳感器檢測到著火點后，滅火裝置的控制器會自動調(diào)整攝像頭角度對準著火點進行圖像識別，2次確認著火點位置，通過圖像識別的AI 算法，準確計算獲得著火點坐標和著火范圍，進一步模擬出噴射干粉的路徑正好覆蓋著火點，隨即調(diào)整消防炮的噴嘴對準著火點，沿著模擬路徑進行噴射干粉滅火。

1.2 自動巡防消防機器人軌道

自動巡防消防機器人的軌道可以設(shè)置在巡防范圍的頂部，通過懸掛的方式進行鋪設(shè)，也可以在巡防范圍的墻壁懸臂吊裝方式安裝。根據(jù)需要和巡防范圍，設(shè)置不同的軌道類型，可以平面鋪設(shè)、立體鋪設(shè)、平立結(jié)合鋪設(shè)或設(shè)置分支軌道進行多種形狀軌道組合連接。根據(jù)危險點位的分布情況，對軌道進行合理布置，盡量覆蓋絕大部分危險點區(qū)域。在巡防軌道上可以根據(jù)消防需要，設(shè)置單臺、多臺巡防滅火機器人，在軌道上進行集群控制和管理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)著火點1 臺滅火裝置不能完成滅火時，系統(tǒng)會自動調(diào)配第2 臺、第3 臺，直至著火點進行多角度噴射干粉后著火點熄滅或得到控制，再輔助人工遠程操作巡防消防機器人完成徹底滅火。軌道形式如圖3 所示。

圖3 自動巡防滅火裝置軌道示意圖

巡檢滅火機器人裝置采用軌道供電或自動可充電電池供電，實現(xiàn)24 h 持續(xù)沿指定軌道運行；軌道裝有條碼尺或條碼帶，可以實時獲得任意一臺巡檢滅火裝置的當(dāng)前位置值；各巡檢滅火機器人裝置通過工業(yè)無線網(wǎng)或5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線通訊，可以實時把巡檢到的傳感器數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)傳遞給中控室，進行大屏展示、信息記錄和追溯。

2 干粉消防炮裝置

2.1 結(jié)構(gòu)

干粉消防炮裝置的主要組成如圖4 所示，金屬殼體內(nèi)部充滿了滅火粉末，通過2 個電子點火器和冷氣源進行觸發(fā)。在殼體的一端設(shè)置定向噴嘴，噴嘴的出孔由膜片覆蓋。在殼體尾部裝有接地夾具。在殼體的兩側(cè)有4組伸出的軸用于固定旋轉(zhuǎn)支架，通過旋轉(zhuǎn)電動機實現(xiàn)自動化滅火裝置噴嘴的角度調(diào)節(jié)。

圖4 干粉消防炮裝置結(jié)構(gòu)

干粉消防炮裝置由電流脈沖觸發(fā)，電脈沖通過軟件程序發(fā)出的信號啟動裝置觸發(fā)或通過遠程遙控開關(guān)人工啟動。在電脈沖到達電點燃器后，冷氣源產(chǎn)生氣體使滅火粉末膨脹，裝置殼體內(nèi)部壓力增大，從而使膜片被沖開，滅火干粉經(jīng)過噴射口噴射到著火區(qū)域，隔絕火源與空氣的接觸，以達到滅火的效果。

2.2 巡防消防機器人的控制

由于每臺自動巡防消防機器人裝備為一次性噴射裝置，每使用完一次或在一定時間內(nèi)沒有使用，則需要沿軌道運行到檢修區(qū)重新填裝干粉，確保干粉填裝料噴射的可靠性。同時需要對電子點火裝置進行檢測，確保供電線路的靈敏可靠；對攝像頭、溫度傳感器進行校驗，確保定位的準確性；對驅(qū)動機構(gòu)進行維護，確保角度調(diào)整的靈活性。

自動巡防消防機器人裝置常規(guī)情況下，可以自行沿著既定的軌道進行巡防，為中控室實時提供巡防的傳感器信息和圖像音視頻信息。在特殊情況下，如自動控制失靈，還可以根據(jù)攝像頭實時影像，通過人工遠程操控消防機器人裝置手動對準著火點進行滅火。

圖5 為自動巡防消防機器人系統(tǒng)的控制總圖，主控室內(nèi)通過無線網(wǎng)絡(luò)與各臺巡防消防機器人裝置組成自動巡防滅火系統(tǒng)。主控室控制柜與監(jiān)控大屏、人機交互系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成主要的控制設(shè)備；各自動巡防消防機器人裝置自帶控制器，內(nèi)置圖像識別AI 算法，自動識別著火點，一旦某臺巡防消防機器人發(fā)現(xiàn)了著火點，其他巡防機器人會通過無線網(wǎng)接收主控系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)度命令驅(qū)動巡防消防機器人裝置按順序移動到著火點，逐臺進行對準、調(diào)整角度、觸發(fā)后噴射干粉滅火，同時把當(dāng)前巡檢到的各項傳感器信息傳遞給中控室，進行信息處理和存儲，在監(jiān)控大屏對巡防區(qū)域內(nèi)的實時狀態(tài)進行展示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時，預(yù)警的同時還會觸發(fā)火災(zāi)報警系統(tǒng)。人機交互系統(tǒng)可以遠程對各臺巡防滅火裝置進行遙控操作、設(shè)備的啟停、維護測試操作、監(jiān)視到當(dāng)前巡防機器人的運行狀態(tài)參數(shù)、是否需要更換干粉等。

圖5 自動巡防滅火系統(tǒng)的控制總圖

2.3 攝像頭測距原理

主動測距只采用傳感器、攝像機、雷達等傳感器進行測距，攝像頭價格低廉且性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛。單攝像頭測距又分單目測距和雙目測距，由于雙目測距的需要處理的數(shù)據(jù)量大、成本高、難度大，故采用計算量小、速度快、性價比高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單的單目測距方法較多。單目視覺測距技術(shù)只采用一個攝像機，就能一定程度上獲得圖像中目標的深度、高度、距離等信息。

自動巡防滅火系統(tǒng)安裝的攝像頭采用單目測距的方法定位著火點。單目攝像頭的模型可以近似考慮為針孔成像模型，如圖6 所示。

圖6 單目測距原理圖

根據(jù)三角形關(guān)系，可以獲得

根據(jù)已知的相機焦距、實際物體的寬度，成像獲得的物體的寬度，可以計算出相機距離目標物體的距離

式中：d為物體與相機間的實際距離，f為焦距，W為目標物體的實際寬度，w為成像后的寬度。

2.4 單目測距算法程序分析

若想要獲得真實世界中某個點位的位置信息，需要把攝像頭捕捉到的二維平面圖像中的像素坐標系、圖像坐標系、相機坐標系、以及世界坐標系之間進行轉(zhuǎn)換。程序編寫和測試步驟為：1）標定得出攝像頭的焦距；2）對檢測到的物體圖片進行高斯濾波處理（平滑操作，過濾操作，去噪操作）；3）邊緣檢測；4）畫出檢測出物體的輪廓并返回最小的外接矩形（可以設(shè)置畫出全部輪廓或者是最大的輪廓）；5）計算攝像頭到被測物體的距離；

圖片的逐幀連續(xù)播放形成視頻，檢測時檢測攝像頭只需將攝像頭獲取到的畫面逐幀分析，等同于對照片分析。例如獲取攝像頭焦距、計算距離的程序，首先通過相機獲得焦距，然后計算相機與目標之間的距離，在監(jiān)控界面顯示檢測到距離，同時為巡防機器人的姿態(tài)調(diào)整，提供位置信息。

3 巡防消防機器人裝置調(diào)度管理流程

通常情況下，巡防滅火裝置啟動后會排著隊間隔一定距離沿著固定軌道一直向前循環(huán)行駛，攝像頭和紅外測溫傳感器所覆蓋的范圍按照調(diào)整好的檢測范圍角度固定照射。在巡防的過程中，一旦某臺巡防消防機器人的視野內(nèi)發(fā)現(xiàn)著火點，則控制器會調(diào)整攝像頭和紅外傳感器對準著火點，讓著火點進入到視野范圍的正中間，通過AI 算法自動計算出著火點坐標，調(diào)整巡防滅火裝置的噴嘴以最佳角度對準著火點開始噴射干粉，同時觸發(fā)控制室火警信號。每一臺噴完干粉后，再次檢測著火點是否還有火源，通知給中控中心，調(diào)度下一臺巡防機器人進入到著火點覆蓋范圍，調(diào)整噴嘴進行滅火。同時，當(dāng)前噴完干粉的巡防機器人返回到維修點自動裝干粉。多臺巡防消防滅火機器人進行聯(lián)合作業(yè)，在著火點的早期失火范圍都不大，一般情況下都會實現(xiàn)自動滅火，若配置的多臺滅火裝置全部調(diào)度完成噴射干粉進行滅火，也能夠在火災(zāi)的初始階段控制著火點的蔓延，為下一步人工進行滅火提供了寶貴的時間，還能把當(dāng)前著火點的最初原因和狀態(tài)視頻、聲音信發(fā)到中控中心，為火災(zāi)原因調(diào)查提供最直接的證據(jù)，為預(yù)防同樣的情況再次發(fā)生，降低當(dāng)前原因火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險。

在特殊情況下，如高層貨架、高層堆疊貨物的某些著火點無法人工及時到達，可以把巡防消防機器人的消防炮重新裝滿干粉后，通過人工快速遠程操作滅火機器人裝置到達著火點，手動旋轉(zhuǎn)電動機、伸縮機構(gòu)，精準快速對準著火點，遠程啟動噴射干粉進行滅火，達到快速滅火的效果。巡防滅火裝置的使用流程如圖7所示。

圖7 巡防滅火裝置使用流程

4 消防機器人參數(shù)

此種巡防自動滅火裝置適用于撲滅A 級火災(zāi)（固體）、B 級火災(zāi)（液體）、C 級火災(zāi)（氣態(tài)物體）和E級火災(zāi)（帶電的電器設(shè)備），不適用撲滅無需空氣助燃的火災(zāi)；局部起火、場地內(nèi)面積和體積的火災(zāi)滅火效果最優(yōu)，干粉消防炮的干粉填裝容積為24 L；機器人長度不大于700 mm，寬度不大于400 mm，高度不大于600 mm，總質(zhì)量不大于86 kg，滅火劑質(zhì)量為22 kg；從執(zhí)行脈沖傳到模塊的啟動元件時刻起直到滅火粉末從模塊噴射出的啟動時間為5 ～10 s，噴射持續(xù)時間不超過1 s，工作壓力為1.8±0.05 MPa；裝置對A 級火的保護面積S為360 m2，對B 級火的保護面積S為 51 m2，對A級火的保護體積V為180 m3；用于露天或室內(nèi)局部滅火時，裝置安裝在距離地面1 m 的高度，且噴嘴到保護面積中心的距離為12 ～18 m 時，對于A、B、C、E 級火的保護面積S為15.8 m2；電點燃器的電路包含2 個點燃器元件，5 min 內(nèi)電路測試的安全電流不大于0.15 A，啟動電流不小于1.0 A，電源的電壓不大于24 V；裝置采用交流36 V 軌道供電模式，功率0.75 kW，干粉裝置外殼可充裝大于100 次。

5 結(jié)語

懸掛軌道式自動巡防的滅火裝置是目前固定式消防設(shè)施的有益補充，從傳動的被動滅火轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣訉ふ抑瘘c，在火災(zāi)蔓延前控制火情。隨著目前機器人技術(shù)的發(fā)展，對于文中所述的巡防機器人亦可以配置地面行駛的自動巡防機器人、空中飛行的無人機巡防機器人攜帶滅火裝置進行輔助滅火，實現(xiàn)立體滅火的消防網(wǎng)，減少人工的參與，使用智能裝備提高消防設(shè)施的智能化程度，實現(xiàn)消防減災(zāi)。