滅火機(jī)器人在城市火災(zāi)救援中的應(yīng)用

摘要：在城市火災(zāi)救援對(duì)作業(yè)安全性、響應(yīng)速度及復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力有著更高要求的情況下，具備自主控制、遠(yuǎn)程操控與高機(jī)動(dòng)性特點(diǎn)的滅火機(jī)器人，已成為提升火場(chǎng)應(yīng)急處置能力的重要裝備。在此背景下，圍繞滅火機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制與導(dǎo)航技術(shù)，對(duì)其在地下空間、高層建筑等典型火災(zāi)場(chǎng)景的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)加以分析；針對(duì)火場(chǎng)感知干擾、多機(jī)協(xié)同作業(yè)及人機(jī)融合不足等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，提出抗干擾優(yōu)化、智能調(diào)度機(jī)制和協(xié)同作戰(zhàn)等策略。研究表明，優(yōu)化傳感器融合算法、提升動(dòng)態(tài)任務(wù)分配能力以及構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化人機(jī)交互平臺(tái)的方式，可有效提高滅火機(jī)器人在極端火災(zāi)環(huán)境中的作戰(zhàn)適應(yīng)性與任務(wù)執(zhí)行效率，進(jìn)而為城市消防裝備智能化升級(jí)以及應(yīng)急響應(yīng)體系優(yōu)化提供理論支持與技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：城市火災(zāi)救援；滅火機(jī)器人；感知干擾；多機(jī)協(xié)同；人機(jī)融合

中圖分類(lèi)號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）03-0031-03

滅火機(jī)器人作為集成感知、決策與執(zhí)行功能的智能裝備，具備穿越高溫、煙塵等極端環(huán)境的能力，能夠在保障人員安全的前提下完成火場(chǎng)偵察、目標(biāo)定位與定點(diǎn)滅火等任務(wù)。本文從滅火機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵控制技術(shù)與典型應(yīng)用場(chǎng)景入手，分析其在實(shí)際火災(zāi)救援任務(wù)中的性能優(yōu)勢(shì)，探討其推廣應(yīng)用所面臨的技術(shù)瓶頸及優(yōu)化路徑，以期推動(dòng)城市消防智能化體系構(gòu)建，強(qiáng)化重大災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)能力。

1 滅火機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)原理

1.1" 主要結(jié)構(gòu)組成與功能模塊

作為復(fù)雜災(zāi)害環(huán)境下作業(yè)裝備的滅火機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足高溫、高濕、有毒氣體和障礙密集等火場(chǎng)特征且整體構(gòu)型圍繞高機(jī)動(dòng)性、高穩(wěn)定性與多功能集成展開(kāi)；作為其基礎(chǔ)承載單元的移動(dòng)平臺(tái)承擔(dān)行進(jìn)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向控制與地形適應(yīng)等任務(wù)并在履帶式、輪式或復(fù)合式結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地面狀況的高效適配[1]；作為核心執(zhí)行部件的滅火裝置集成高壓水炮、干粉噴射、泡沫噴灑等多種滅火方式且能根據(jù)火源類(lèi)型自動(dòng)切換作業(yè)模式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的高強(qiáng)度精準(zhǔn)打擊；嵌入多種傳感器組件的感知系統(tǒng)結(jié)合紅外熱成像、煙霧濃度探測(cè)與三維雷達(dá)建圖技術(shù)構(gòu)建火場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境模型來(lái)支撐路徑規(guī)劃與避障決策；依托無(wú)線(xiàn)中繼、自組網(wǎng)和圖像傳輸技術(shù)的通信系統(tǒng)維持機(jī)器人與指揮終端之間的數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定以保障遠(yuǎn)程操控、任務(wù)下發(fā)與狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與可靠性。各模塊通過(guò)高度集成、協(xié)同運(yùn)作構(gòu)建起具備獨(dú)立作業(yè)與遠(yuǎn)程操控能力的智能滅火作戰(zhàn)平臺(tái)。

1.2" 控制與導(dǎo)航技術(shù)原理

滅火機(jī)器人在復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境中執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，需要具備高度智能化的控制與導(dǎo)航能力，其核心技術(shù)基礎(chǔ)由路徑規(guī)劃、自主避障與目標(biāo)定位三大模塊構(gòu)成，路徑規(guī)劃模塊基于實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)與環(huán)境建模結(jié)果，采用多傳感融合算法構(gòu)建動(dòng)態(tài)柵格地圖，結(jié)合A*、DWA或改進(jìn)型RRT等算法，生成適應(yīng)火場(chǎng)障礙、溫度梯度和煙霧濃度分布的最優(yōu)行進(jìn)路徑，自主避障系統(tǒng)結(jié)合激光雷達(dá)、紅外傳感與視覺(jué)識(shí)別單元構(gòu)建多維障礙物檢測(cè)模型，在高溫、低能見(jiàn)度環(huán)境下仍可精準(zhǔn)識(shí)別前方靜態(tài)與動(dòng)態(tài)障礙，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路徑調(diào)整與應(yīng)急規(guī)避[2]。目標(biāo)定位功能依賴(lài)熱成像識(shí)別、煙源聚類(lèi)分析與空間重構(gòu)技術(shù)，精準(zhǔn)確定火源位置或被困人員區(qū)域，驅(qū)動(dòng)滅火裝置或協(xié)同系統(tǒng)快速響應(yīng)，在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)基于多模態(tài)信息反饋構(gòu)建閉環(huán)調(diào)控結(jié)構(gòu)，通過(guò)狀態(tài)感知與行為預(yù)測(cè)提高操作精度與任務(wù)完成率，使滅火機(jī)器人具備在高風(fēng)險(xiǎn)城市火場(chǎng)中獨(dú)立作業(yè)與動(dòng)態(tài)決策的能力[3]。

2 滅火機(jī)器人在城市火災(zāi)救援中的典型應(yīng)用

2.1" 地下空間與高危區(qū)域火災(zāi)中的應(yīng)用

地下空間與高危區(qū)域火災(zāi)通常具有空間封閉性強(qiáng)、疏散難度大、有毒氣體易聚集等特征。滅火機(jī)器人具備遠(yuǎn)程操控與復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，能夠在地鐵隧道火災(zāi)中依托熱成像與激光導(dǎo)航系統(tǒng)深入核心區(qū)域，實(shí)時(shí)回傳圖像與熱力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)火源精準(zhǔn)定位與滅火控制。其在狹窄通道內(nèi)可連續(xù)移動(dòng)并執(zhí)行多點(diǎn)噴射任務(wù)，配合地面指揮系統(tǒng)有效抑制火勢(shì)蔓延，為后續(xù)人員疏散與搜救爭(zhēng)取時(shí)間。在化工倉(cāng)庫(kù)等高危場(chǎng)所，機(jī)器人搭載環(huán)境氣體探測(cè)傳感器與復(fù)合滅火模塊，可快速識(shí)別燃燒物類(lèi)型并智能匹配滅火介質(zhì)，實(shí)施高壓定點(diǎn)噴射，降低爆燃與毒氣擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)表明，滅火機(jī)器人可在高危區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，其機(jī)體具備良好的耐高溫、防腐蝕與抗沖擊能力，適應(yīng)劇烈熱輻射與結(jié)構(gòu)沖擊等極端火場(chǎng)條件，在隧道與密閉倉(cāng)儲(chǔ)等典型復(fù)雜空間中，機(jī)器人通過(guò)路徑規(guī)劃與動(dòng)態(tài)避障算法實(shí)現(xiàn)高精度作業(yè)，并配合多角度噴射裝置完成對(duì)火源的包圍式壓制，有效提升滅火效率。隨著技術(shù)的更新迭代與場(chǎng)景適應(yīng)能力的增強(qiáng)，滅火機(jī)器人已在地下空間與特殊區(qū)域火災(zāi)應(yīng)急處置中展現(xiàn)出顯著應(yīng)用成效，成為構(gòu)建智能化、高效化城市消防體系的重要支撐力量[4]。

2.2" 城市綜合體與高層建筑中的應(yīng)用

城市綜合體與高層建筑在空間結(jié)構(gòu)、建筑材料、功能布局等方面比較復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)易沿豎向通道迅速蔓延，造成多點(diǎn)復(fù)合型燃燒，給傳統(tǒng)人工滅火帶來(lái)極大困難。滅火機(jī)器人在此類(lèi)場(chǎng)景下憑借高度模塊化設(shè)計(jì)與靈活部署能力，有效突破空間限制與高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。平臺(tái)搭載履帶式或多輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在室內(nèi)地形復(fù)雜、障礙密集的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定移動(dòng)，具備跨越碎片障礙、上坡越坎的動(dòng)態(tài)調(diào)姿能力，保障在樓宇內(nèi)部或地下空間內(nèi)的持續(xù)作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)基于多傳感融合感知技術(shù)，對(duì)樓宇結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別與路徑映射，在缺乏GPS信號(hào)的環(huán)境中依靠慣性導(dǎo)航與視覺(jué)SLAM算法完成精準(zhǔn)定位與路徑校正，確保在復(fù)雜建筑內(nèi)部的自主導(dǎo)航效率。遠(yuǎn)程操控端配備多視角圖像接收與動(dòng)態(tài)指令調(diào)整系統(tǒng)，作戰(zhàn)人員可依據(jù)機(jī)器人上傳的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)快速制定戰(zhàn)術(shù)部署，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式滅火、火源壓制與熱區(qū)封鎖。在高層火情中，滅火機(jī)器人通過(guò)樓宇消防電梯、外墻吊升系統(tǒng)或無(wú)人機(jī)掛載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)垂直輸送，進(jìn)入指定樓層后開(kāi)展偵查、滅火與人員搜救等多任務(wù)操作。高層建筑內(nèi)部高熱通道與可燃裝飾材料廣泛使用導(dǎo)致火場(chǎng)環(huán)境溫度與煙霧濃度快速上升，滅火機(jī)器人依托熱成像識(shí)別與環(huán)境動(dòng)態(tài)建模技術(shù)快速識(shí)別火源與高溫聚集區(qū)，引導(dǎo)滅火模塊實(shí)施定點(diǎn)噴射，精準(zhǔn)控制熱力蔓延路徑，防止火勢(shì)蔓延至結(jié)構(gòu)核心。

滅火機(jī)器人于高層及大型建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的介入，有著顯著縮短響應(yīng)時(shí)間、降低消防人員暴露風(fēng)險(xiǎn)、提高火情處置的空間覆蓋能力與連續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間之效，已逐步成為現(xiàn)代城市消防系統(tǒng)里不可或缺的高效作戰(zhàn)單元。而未來(lái)若實(shí)現(xiàn)其與建筑BIM模型、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及智能調(diào)度系統(tǒng)的深度融合，有望進(jìn)一步提升它在復(fù)雜建筑環(huán)境下的任務(wù)自適應(yīng)能力與協(xié)同作戰(zhàn)效率。

3 應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與對(duì)策

3.1" 感知環(huán)境復(fù)雜性與抗干擾能力不足

在復(fù)雜多變的城市火災(zāi)環(huán)境下，滅火機(jī)器人于高溫、濃煙、有毒氣體及電磁干擾等條件下作業(yè)，常面臨著感知失真、通信不穩(wěn)定和控制系統(tǒng)響應(yīng)延遲等挑戰(zhàn)，影響其自主作業(yè)能力與任務(wù)執(zhí)行效率。比如，高溫區(qū)域紅外輻射增強(qiáng)會(huì)致使熱成像模塊傳感飽和，讓機(jī)器人難以精準(zhǔn)識(shí)別高溫火源且影響路徑規(guī)劃；同時(shí)，其內(nèi)部諸如圖像處理芯片、傳感模塊和通信中繼單元等電子器件在長(zhǎng)期高溫暴露下易出現(xiàn)性能衰減、數(shù)據(jù)處理延遲甚至硬件失效情況，削弱整體系統(tǒng)連續(xù)響應(yīng)能力；濃煙遮擋嚴(yán)重干擾基于可見(jiàn)光的圖像識(shí)別與目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，使機(jī)器人無(wú)法獲取清晰環(huán)境特征信息，導(dǎo)致邊緣模糊、物體分割錯(cuò)誤，影響三維重構(gòu)與路徑規(guī)劃算法穩(wěn)定性；此外，有毒氣體濃度波動(dòng)大，造成氣體傳感器靈敏度漂移與響應(yīng)時(shí)間延遲，降低環(huán)境監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性；還有高層建筑、地下空間中密集金屬構(gòu)件與電氣設(shè)施產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，可能致使機(jī)器人無(wú)線(xiàn)通信鏈路中斷、導(dǎo)航誤差增大，甚至影響遠(yuǎn)程控制指令的及時(shí)響應(yīng)。

對(duì)于以上問(wèn)題，硬件設(shè)計(jì)方面需使用高溫隔熱材料、抗腐蝕外殼以及電磁屏蔽殼體，以提升核心電子器件在極端環(huán)境下耐受性，確保傳感器和通信模塊長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。感知系統(tǒng)上應(yīng)集成紅外熱成像、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等多傳感器融合技術(shù)來(lái)增強(qiáng)感知冗余度，避免單一傳感器失效對(duì)整體運(yùn)行造成影響，以智能權(quán)重調(diào)整算法的方式依據(jù)火場(chǎng)環(huán)境干擾類(lèi)型，實(shí)時(shí)調(diào)整傳感器數(shù)據(jù)權(quán)重優(yōu)化信息融合穩(wěn)定性。軟件層面可以引入魯棒控制、自適應(yīng)濾波與動(dòng)態(tài)容錯(cuò)機(jī)制，讓機(jī)器人即便部分傳感器數(shù)據(jù)失真仍能執(zhí)行核心功能，維持路徑規(guī)劃與動(dòng)態(tài)避障穩(wěn)定性。構(gòu)建實(shí)時(shí)環(huán)境建模系統(tǒng)，基于多維數(shù)據(jù)輸入生成動(dòng)態(tài)火場(chǎng)地圖，使機(jī)器人可在高溫、有毒氣體、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)，進(jìn)一步提升其任務(wù)完成率與實(shí)戰(zhàn)可靠性[5]。

3.2" 多機(jī)協(xié)同與人機(jī)融合不足

在城市火災(zāi)救援任務(wù)中實(shí)現(xiàn)逐步常態(tài)化部署的滅火機(jī)器人，于復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下存在著多機(jī)協(xié)同調(diào)度不足以及人機(jī)作業(yè)融合水平不高的狀況，影響整體救援效率；復(fù)雜多變的火場(chǎng)環(huán)境中，多臺(tái)缺乏統(tǒng)一任務(wù)規(guī)劃?rùn)C(jī)制與協(xié)同控制協(xié)議的機(jī)器人，易發(fā)生路徑?jīng)_突、資源重復(fù)利用和作業(yè)盲區(qū)，致使整體作戰(zhàn)效率和信息覆蓋密度降低；現(xiàn)有的主要依賴(lài)預(yù)設(shè)規(guī)則與中心控制模式的機(jī)器人集群控制，因缺乏自適應(yīng)動(dòng)態(tài)分配能力，難以應(yīng)對(duì)火勢(shì)蔓延、建筑結(jié)構(gòu)變化以及受困人員位置不確定等突發(fā)情況。

在與消防員協(xié)同作業(yè)方面存在接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)共享不足、語(yǔ)義感知缺失等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致信息傳遞不暢，影響協(xié)同作戰(zhàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度的情況，比如無(wú)法理解消防員非結(jié)構(gòu)化指令（如手勢(shì)、語(yǔ)音或突發(fā)任務(wù)調(diào)整），致使任務(wù)執(zhí)行與人工戰(zhàn)術(shù)脫節(jié)，可能出現(xiàn)路徑重疊、行動(dòng)沖突或任務(wù)執(zhí)行誤差的狀況。此外，還有作業(yè)過(guò)程中通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、任務(wù)語(yǔ)義理解能力弱，使得難以準(zhǔn)確判斷消防員戰(zhàn)術(shù)意圖、限制自主協(xié)同水平的現(xiàn)象。同時(shí)，在高層建筑、地下通道等復(fù)雜場(chǎng)景中存在多機(jī)系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一時(shí)空協(xié)同框架，致使任務(wù)分配可能滯后，導(dǎo)致機(jī)器人過(guò)度集中或任務(wù)資源分配不均衡影響作戰(zhàn)節(jié)奏的情形。

對(duì)于以上問(wèn)題，在多機(jī)協(xié)同層面需引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)的集群智能調(diào)度策略，以及建立機(jī)器人之間多主體狀態(tài)建模與協(xié)同避障機(jī)制，以此實(shí)現(xiàn)根據(jù)火場(chǎng)環(huán)境對(duì)任務(wù)分配進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、避免路徑?jīng)_突和任務(wù)盲區(qū)的目的，同時(shí)結(jié)合基于場(chǎng)景理解的行為預(yù)測(cè)模型來(lái)提升機(jī)器人適應(yīng)火場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的能力，進(jìn)而使其在高層建筑、地下空間等復(fù)雜環(huán)境達(dá)成自適應(yīng)布局與任務(wù)協(xié)調(diào)的效果。

在人機(jī)協(xié)同方面，需通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議來(lái)確保機(jī)器人與消防員之間數(shù)據(jù)交互的一致性，進(jìn)而提升戰(zhàn)術(shù)配合能力；同時(shí)要增強(qiáng)機(jī)器人的語(yǔ)義感知能力以使其能更準(zhǔn)確地理解消防員指令，例如可結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別與任務(wù)意圖推理來(lái)提升任務(wù)執(zhí)行的精準(zhǔn)度；另外，還可構(gòu)建統(tǒng)一時(shí)空協(xié)同框架優(yōu)化多機(jī)系統(tǒng)與人工作業(yè)實(shí)時(shí)信息共享的能力，保證各機(jī)器人能基于消防員戰(zhàn)術(shù)調(diào)整動(dòng)態(tài)更新任務(wù)執(zhí)行方案，以此進(jìn)一步提升城市火災(zāi)救援智能化協(xié)作能力與作業(yè)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市火災(zāi)救援任務(wù)對(duì)響應(yīng)速度、作業(yè)安全性與復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力提出更高要求，滅火機(jī)器人作為智能化應(yīng)急裝備，在火場(chǎng)探測(cè)、精準(zhǔn)滅火與協(xié)同作戰(zhàn)等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成多功能模塊，控制與導(dǎo)航技術(shù)支撐其在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自主作業(yè)與遠(yuǎn)程指令響應(yīng)，典型應(yīng)用案例驗(yàn)證其在地下空間、高層建筑等復(fù)雜環(huán)境中的作戰(zhàn)有效性。感知系統(tǒng)在高溫濃煙、電磁干擾等條件下面臨穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，協(xié)同作業(yè)與人機(jī)融合層面仍存在技術(shù)壁壘。提升系統(tǒng)魯棒性、信息融合能力與集群智能調(diào)度水平是推動(dòng)滅火機(jī)器人實(shí)戰(zhàn)化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵路徑。構(gòu)建與城市消防體系深度適配的協(xié)同機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)將有效提升城市火災(zāi)整體處置效率，為智慧應(yīng)急響應(yīng)提供有力技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]馬志強(qiáng).消防機(jī)器人滅火救援應(yīng)用分析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2025（2）：256-258.

[2]周顯峰.信息化技術(shù)在滅火救援指揮決策中的整合應(yīng)用實(shí)踐[J].今日消防，2024，9（12）：55-57.

[3]韓孟輝.智能化滅火技術(shù)在化工消防救援中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2024（10）：94-96.

[4]高翌喬，梁池森，陳卓婭.智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2023，41（8）：170-172.

[5]尹海陽(yáng)，龍小玉，肖颯，等.消防滅火機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及展望綜述[J].今日消防，2023，8（1）：16-18+24.