基于5G技術(shù)的移動消防機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在復(fù)雜環(huán)境的災(zāi)害作業(yè)現(xiàn)場，移動消防機(jī)器人所搭載的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成為操作人員與機(jī)器人之間交互的主要平臺。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在控制響應(yīng)不及時、機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)難以實時監(jiān)控以及環(huán)境感知信息回傳難等挑戰(zhàn)。為此，提出利用5G技術(shù)的超高可靠低時延通信技術(shù)，構(gòu)建5G通信模型，保障機(jī)器人車載控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)之間實現(xiàn)實時、高效的通信。設(shè)計了基于MVC模型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總框架，形成移動消防機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部閉環(huán)，基于模塊化的設(shè)計原則，設(shè)計了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊，確保移動消防機(jī)器人與操控人員的無障礙交互。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；移動消防機(jī)器人；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0038-03

隨著災(zāi)害作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境愈加復(fù)雜，消防救援工作面臨著巨大挑戰(zhàn)[1]。在救援行動中使用消防機(jī)器人，不僅可以提高救援效率，還能確保救援行動的合理性和科學(xué)性[2]。移動消防機(jī)器人可以代替人類進(jìn)入復(fù)雜環(huán)境的災(zāi)害現(xiàn)場，最大限度地減少救援人員的傷亡，降低事故造成的經(jīng)濟(jì)損失[3]。移動消防機(jī)器人屬于特種作業(yè)機(jī)器人，在執(zhí)行任務(wù)時需要脫離操作人員獨立前往災(zāi)害現(xiàn)場，必須依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來執(zhí)行相關(guān)的作業(yè)任務(wù)。5G作為新一代移動通信技術(shù)，具有超高速、超低延遲、大連接等特點[4]，利用5G技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)移動消防機(jī)器人車載控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的超可靠低延遲通信，有效解決移動消防機(jī)器人在作業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)控制指令響應(yīng)不及時、作業(yè)狀態(tài)無法實時監(jiān)控及作業(yè)環(huán)境感知信息不可視等問題。因此，操作人員可實時操控機(jī)器人，掌握其作業(yè)狀態(tài)及災(zāi)害現(xiàn)場情況，進(jìn)一步提高移動消防機(jī)器人的作業(yè)可靠性和效率，最大程度發(fā)揮移動消防機(jī)器人的作用，實現(xiàn)高效救援。

1 5G技術(shù)基本原理

5G是第五代移動通信技術(shù)的簡稱，是新一代蜂窩移動通信技術(shù)。5G技術(shù)是毫米波技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)、波束賦形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的綜合體，用來提供更快速、更穩(wěn)定、更高效的數(shù)據(jù)傳輸和通信服務(wù)。5G技術(shù)中的NFV和SDN技術(shù)可以使網(wǎng)絡(luò)更加靈活和可編程，滿足不同應(yīng)用場景和需求。

國際電信聯(lián)盟定義了5G的三大類應(yīng)用場景，即增強(qiáng)移動寬帶、超高可靠低時延通信和海量機(jī)器類通信。增強(qiáng)移動寬帶主要面向移動互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長，為移動互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加極致的應(yīng)用體驗；超高可靠低時延通信主要面向工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)；海量機(jī)器類通信主要面向智慧城市、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求[5]。

2 移動消防機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總框架設(shè)計

2.1 移動消防機(jī)器人概述

消防機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，在滅火和搶險救援中發(fā)揮重要的作用[6]。與傳統(tǒng)的滅火設(shè)備相比，移動消防機(jī)器人具有較強(qiáng)的機(jī)動性、智能化和遠(yuǎn)程控制能力，能夠在危險復(fù)雜環(huán)境中有效地執(zhí)行各類任務(wù)，可代替救援人員進(jìn)入火災(zāi)、有毒有害、易燃易爆等各種危險災(zāi)害事故現(xiàn)場，進(jìn)行救援、災(zāi)害現(xiàn)場情況勘查等，可以大大降低救援人員的傷亡風(fēng)險。

移動消防機(jī)器人一般由傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等多個系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)行走、環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸、火源檢測與定位、自動滅火、障礙物識別與避讓、遠(yuǎn)程操控與自主決策等主要功能。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總框架設(shè)計

目前，大部分消防機(jī)器人采用無線遙控技術(shù)傳輸視頻及控制信號，操控員通過操作遙控器來控制消防機(jī)器人在現(xiàn)場執(zhí)行救援工作，并通過視頻圖像實時反饋現(xiàn)場情況。由于無線遙控技術(shù)存在抗干擾能力差的問題，如像頻干擾、組合頻率干擾和中頻干擾等，特別是在環(huán)境復(fù)雜的救援現(xiàn)場，可能會出現(xiàn)遙控信號不穩(wěn)定的情況。

運用5G技術(shù)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是操作人員與移動消防機(jī)器人交互的平臺，操作人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)查看移動消防機(jī)器人回傳信息及狀態(tài)，也可以通過系統(tǒng)給機(jī)器人發(fā)送指令?？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)遵循模型—視圖—控制器（MVC）架構(gòu)，即模型（Model）、視圖（View）和控制器（Controller），模型是整個程序的核心部分，負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯，直接與數(shù)據(jù)庫交互，檢索數(shù)據(jù)并處理前端的命令。視圖部分是系統(tǒng)和外界的接口，承擔(dān)人機(jī)交互的作用，控制器部分則是前兩者的紐帶，承擔(dān)翻譯工作，見圖1，MVC架構(gòu)中人機(jī)交互流程形成一個完整的閉環(huán)，操作人員輸入操作指令給控制器，經(jīng)控制器處理后，將輸入信息傳遞給模型做分析判斷，模型和數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)信息的存儲，經(jīng)模型輸出后，根據(jù)實際需求選擇合適的視圖進(jìn)行展示，同時用戶得到軟件視圖的信息反饋。

基于MVC架構(gòu)的移動消防機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計，整個機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一共分為三個部分：第一部分為機(jī)器人數(shù)據(jù)采集端；第二部分為5G移動網(wǎng)絡(luò)通信；第三部分為用戶操作可視交互端，即用戶界面端，實現(xiàn)了端到端的設(shè)計。

機(jī)器人數(shù)據(jù)采集端：數(shù)據(jù)采集端主要通過各種傳感器，采集移動消防機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)及必要的反饋信息；攝像頭等圖像信息采集傳感器，主要采集災(zāi)害現(xiàn)場的實況信息并回傳，操作人員可及時掌握現(xiàn)場的情況。

5G移動網(wǎng)絡(luò)通信：機(jī)器人數(shù)據(jù)采集端，采集到的各種信號及圖像通過5G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸給操作人員端的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可以通過用戶界面端，進(jìn)行的各種操作和查看各種回傳信息，5G網(wǎng)絡(luò)主要作用是建立起機(jī)器人端和操作人員的連接紐帶。

用戶界面端：用戶界面端是一個移動的可視化人機(jī)交互界面，操作人員可以通過用戶界面對移動消防機(jī)器人下執(zhí)行指令，查看機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)，了解作業(yè)現(xiàn)場的情況以及進(jìn)行移動消防機(jī)器人實現(xiàn)報警、簡單故障診斷、異常處理等功能。

3 移動消防機(jī)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 移動消防機(jī)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)5G通信模型設(shè)計

移動消防機(jī)器人作業(yè)過程中，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，對通信時延、可靠性、可用性都提出了嚴(yán)格的要求。超高可靠性和低時延通信（URLLC）的應(yīng)用場景變化范圍非常大，端到端時延從幾毫秒到幾百毫秒，可靠性從兩個九到六個九，吞吐率從幾千到幾百兆字節(jié)每秒[7]。URLLC實際上是一種網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)切片可實現(xiàn)在同一個物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建端到端、按需定制和安全隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)[8]。針對URLLC業(yè)務(wù)，考慮成本與組網(wǎng)復(fù)雜度，選非獨立組網(wǎng)（NSA）或獨立組網(wǎng)（SA）架構(gòu)下進(jìn)行URLLC部署。

整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由兩個部分組成，分別為移動機(jī)器端和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)端，兩端通過5G-DTU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，并通過5G-DTU平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)有兩大數(shù)據(jù)流，即圖像視頻信號數(shù)據(jù)流和控制數(shù)據(jù)流。網(wǎng)絡(luò)通信模型見圖2。

3.2 移動消防機(jī)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

移動消防機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要組成部分，用于協(xié)助整個機(jī)器人系統(tǒng)完成功能指標(biāo)。在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架設(shè)計時引入模塊的設(shè)計原則，在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的模型方案設(shè)計過程中依然采用模塊的設(shè)計原則，設(shè)計了移動消防機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，見圖3。

由圖3可知，移動消防機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)劃分為兩個大的模塊，一個是用戶操作模塊；另一個是信息反饋模塊。用戶操作模塊，用來實現(xiàn)用戶對機(jī)器人本體、搭載平臺及攝像頭指令的發(fā)送和參數(shù)的設(shè)置，用戶可以通過操作界面上的按鈕和輸入框來實現(xiàn)移動消防機(jī)器人操控和參數(shù)設(shè)置；信息反饋模塊，用來顯示機(jī)器人回傳圖像和機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)，用戶可以實時查看機(jī)器人在現(xiàn)場傳回來的信息。

3.3 移動消防機(jī)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計

移動消防機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程定位和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控三個主要功能，按照模塊的設(shè)計原則及消防機(jī)器人的功能進(jìn)行分區(qū)設(shè)置，見圖4。

可視窗口：由5個實時的信息顯示區(qū)域組成，主要用來實時顯示信息。實時圖像，顯示搭載在機(jī)器人底盤攝像頭實時回傳的現(xiàn)場圖像畫面，可通過此畫面了解現(xiàn)場實況。實時三維重建圖像，顯示搭載在機(jī)器人上的三維激光采集的點云，重建的三維模型可以讓操作人員更好地掌握災(zāi)害現(xiàn)場的立體空間信息。地圖導(dǎo)航定位，需要結(jié)合第三方地圖使用，實時顯示機(jī)器人在大的空間的位置信息。傳感器信息，實時顯示機(jī)器人上布置的傳感器狀態(tài)信息和采集信息。報警及提示信息，機(jī)器人是一個高度集成的智能化裝備，在操作的過程中會有一些確認(rèn)信息、提示信息和報警信息，在操作界面的最上面有個專用區(qū)域進(jìn)行顯示。

操作控制：主要用來實現(xiàn)機(jī)器人的各種控制指令的下達(dá)。機(jī)器人運動控制主要用于在手動模式下，實現(xiàn)機(jī)器的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等基本運動操作控制。平臺運動控制，主要用于實現(xiàn)消防炮的操作控制。攝像頭運動控制，在災(zāi)害現(xiàn)場需要多角度觀察，攝像頭360°旋轉(zhuǎn)及俯仰運動的控制?；静僮?，消防機(jī)器的開關(guān)機(jī)、復(fù)位、急停等一些常規(guī)操作。

功能設(shè)置：模式切換，主要用于實現(xiàn)手動、自動、檢修等機(jī)器運行模式的切換。參數(shù)設(shè)置，機(jī)器人在不同的工作模式和工作場景需要使用的參數(shù)不一樣，例如在去往現(xiàn)場的途中要求速度快且平穩(wěn)，可以通過參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)機(jī)器人運行速度倍率的設(shè)置。遠(yuǎn)程診斷，一是方便操作人員在現(xiàn)場排除簡單故障，二是可以實時和廠家溝通，通過遠(yuǎn)程來解決一些軟件問題。

4 結(jié)束語

新一代信息技術(shù)5G的引入，為移動消防機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)帶來了革新，它能有效解決傳統(tǒng)通信方式下存在的網(wǎng)絡(luò)延時高、抗干擾能力差等問題，從而避免控制響應(yīng)不及時、機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)無法監(jiān)控、環(huán)境感知信息回傳難等問題?；贛VC構(gòu)架設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總框架，結(jié)合5G通信模型，制定了移動消防機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，并細(xì)化了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能模塊的設(shè)計，推動移動消防機(jī)器人走向?qū)嶋H應(yīng)用，期望通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，能夠提升移動消防機(jī)器人在救援過程中的作用。

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