火災(zāi)撲救中的人機(jī)協(xié)作模式優(yōu)化研究

摘要：當(dāng)前，復(fù)雜建筑火災(zāi)場(chǎng)景的多元致災(zāi)因子對(duì)傳統(tǒng)救援模式形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)已成為突破滅火效能瓶頸的關(guān)鍵路徑。現(xiàn)系統(tǒng)剖析當(dāng)前人機(jī)協(xié)作模式在技術(shù)、協(xié)同機(jī)制以及人員能力與培訓(xùn)等3方面問(wèn)題，繼而提出技術(shù)集成創(chuàng)新路徑、協(xié)同流程重構(gòu)方案、人才培養(yǎng)體系升級(jí)的人機(jī)協(xié)作模式優(yōu)化策略，旨在有效提升復(fù)雜火場(chǎng)態(tài)勢(shì)下的戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行精度與系統(tǒng)魯棒性，為解決人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中的信息孤島、響應(yīng)遲滯等問(wèn)題提供系統(tǒng)性解決方案。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)撲救；人機(jī)協(xié)作；協(xié)同機(jī)制；智能消防；戰(zhàn)術(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）06-0043-03

0 引言

近年來(lái)，高層建筑、地下空間等復(fù)雜火災(zāi)場(chǎng)景對(duì)傳統(tǒng)救援模式形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)逐漸成為突破救援效能瓶頸的關(guān)鍵路徑。無(wú)人機(jī)、消防機(jī)器人等智能裝備的應(yīng)用雖增強(qiáng)了火場(chǎng)偵察與高危作業(yè)能力，但設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互效率尚有提升空間、動(dòng)態(tài)協(xié)同邏輯的完善程度仍需優(yōu)化，以及人員技術(shù)認(rèn)知存在轉(zhuǎn)型期的適應(yīng)挑戰(zhàn)，這些因素仍制約著人機(jī)協(xié)作效能的充分發(fā)揮?，F(xiàn)有研究多聚焦單一技術(shù)改進(jìn)，在“人-機(jī)-環(huán)境”復(fù)雜系統(tǒng)的全局性優(yōu)化方面有待深化。現(xiàn)從技術(shù)、機(jī)制、人才等3個(gè)維度切入，探索人機(jī)協(xié)作模式的系統(tǒng)性優(yōu)化路徑，旨在通過(guò)技術(shù)融合創(chuàng)新、指揮流程重構(gòu)與能力體系升級(jí)，實(shí)現(xiàn)消防作戰(zhàn)中人類智能與機(jī)器效能的深度耦合，提升復(fù)雜火場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)急救援能力。

1 火災(zāi)撲救中人機(jī)協(xié)作模式發(fā)展現(xiàn)狀

1.1" 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，消防領(lǐng)域的人機(jī)協(xié)作技術(shù)已形成多維度應(yīng)用體系。無(wú)人機(jī)通過(guò)集成多光譜傳感設(shè)備，在濃煙彌漫和建筑結(jié)構(gòu)遮擋的復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了三維立體偵察，其搭載的智能分析模塊可對(duì)火場(chǎng)熱力分布及有毒氣體擴(kuò)散路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。消防機(jī)器人技術(shù)正從單機(jī)遙控向群體智能演進(jìn)，具備耐高溫防護(hù)的履帶式平臺(tái)可攜帶多功能機(jī)械臂抵近火源，執(zhí)行破拆、冷卻等高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)。智能指揮系統(tǒng)通過(guò)融合建筑信息模型與實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，構(gòu)建了具備態(tài)勢(shì)推演功能的數(shù)字孿生火場(chǎng)，為指揮員提供多維度決策支持。然而，設(shè)備間的數(shù)據(jù)互通性仍需加強(qiáng)，多機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)的任務(wù)分配邏輯尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，部分智能算法的環(huán)境適應(yīng)性在極端火場(chǎng)條件下呈現(xiàn)性能波動(dòng)。

1.2" 典型協(xié)作模式分類

根據(jù)任務(wù)屬性和功能定位，現(xiàn)有協(xié)作模式主要分為3類：偵察決策型協(xié)作通過(guò)構(gòu)建“前端感知-中樞研判”鏈路，由智能設(shè)備采集熱力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，經(jīng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)預(yù)處理后生成作戰(zhàn)建議，指揮員據(jù)此調(diào)整戰(zhàn)術(shù)部署。高危作業(yè)型協(xié)作采用“人員監(jiān)護(hù)-機(jī)器執(zhí)行”模式，消防員依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備遠(yuǎn)程操控機(jī)器人完成化工裝置堵漏、承重墻破拆等精細(xì)操作，實(shí)時(shí)交互界面同步顯示機(jī)械臂扭矩、液壓壓力等核心參數(shù)。群體智能型協(xié)作形成“多機(jī)協(xié)同-人員調(diào)控”的立體網(wǎng)絡(luò)，集群無(wú)人機(jī)執(zhí)行火場(chǎng)監(jiān)測(cè)與通信中繼，滅火機(jī)器人編組實(shí)施梯次進(jìn)攻，指揮中樞通過(guò)分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)配。

在超高層建筑火災(zāi)等典型場(chǎng)景中，多重協(xié)作模式呈現(xiàn)交叉融合特征。無(wú)人機(jī)群組構(gòu)建空中監(jiān)測(cè)矩陣，實(shí)時(shí)追蹤火勢(shì)蔓延趨勢(shì)；地面機(jī)器人分隊(duì)開(kāi)辟救援通道，同步傳輸建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)；消防員突擊小組在智能終端指引下實(shí)施內(nèi)攻滅火，形成“空天地”一體化的作戰(zhàn)體系。這種立體化協(xié)同網(wǎng)絡(luò)突破了傳統(tǒng)救援的時(shí)空限制，有效提升了高溫、毒害等危險(xiǎn)區(qū)域的作業(yè)效率，但裝備間的互操作性和戰(zhàn)術(shù)銜接精度仍需進(jìn)一步優(yōu)化[1]。

2 當(dāng)前人機(jī)協(xié)作模式存在的主要問(wèn)題

2.1" 技術(shù)層面的局限性

當(dāng)前，人機(jī)協(xié)作技術(shù)在火災(zāi)撲救中的實(shí)際效能，尚未完全突破物理環(huán)境與信息處理的瓶頸制約。設(shè)備傳感器在復(fù)雜火場(chǎng)環(huán)境下的感知精度存在顯著衰減，熱輻射干擾導(dǎo)致紅外成像設(shè)備對(duì)燃燒物質(zhì)的識(shí)別準(zhǔn)確率呈現(xiàn)波動(dòng)特征，濃煙環(huán)境下的氣體檢測(cè)模塊易出現(xiàn)交叉敏感性誤報(bào)。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合尚未形成統(tǒng)一處理范式，無(wú)人機(jī)偵察數(shù)據(jù)、建筑BIM信息與消防物聯(lián)終端間的時(shí)空基準(zhǔn)偏差，致使動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)沙盤的構(gòu)建存在實(shí)時(shí)性提升需求，影響指揮決策時(shí)效性。

智能裝備的自主決策能力仍處于規(guī)則驅(qū)動(dòng)階段，難以適應(yīng)火場(chǎng)態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)突變。滅火機(jī)器人在高溫輻射環(huán)境下的路徑規(guī)劃算法魯棒性不足，當(dāng)火場(chǎng)熱流強(qiáng)度超出傳感器量程時(shí)，自主避障系統(tǒng)易陷入局部最優(yōu)解陷阱。集群無(wú)人機(jī)在室內(nèi)復(fù)雜空間的協(xié)同編隊(duì)控制仍存在通信盲區(qū)，電磁干擾導(dǎo)致的多機(jī)避撞機(jī)制失效風(fēng)險(xiǎn)尚未完全消除。此外，裝備系統(tǒng)的熱防護(hù)性能與作業(yè)持久性尚未實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平衡，水冷式防護(hù)裝置對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)負(fù)載的影響值得重點(diǎn)關(guān)注，而輕量化設(shè)計(jì)的近火作業(yè)時(shí)長(zhǎng)存在技術(shù)提升空間。

2.2" 協(xié)同機(jī)制的完善性有待提升

現(xiàn)有人機(jī)協(xié)作體系尚未形成高效的指揮響應(yīng)架構(gòu)，戰(zhàn)略決策、戰(zhàn)術(shù)調(diào)整與執(zhí)行操作3個(gè)層級(jí)間存在協(xié)同優(yōu)化需求。指揮中樞對(duì)前線智能裝備的調(diào)控仍以單向指令模式為主，裝備狀態(tài)自主反饋形成的閉環(huán)修正機(jī)制尚未充分建立。多機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)，任務(wù)分配算法在動(dòng)態(tài)適應(yīng)性方面存在改進(jìn)空間，當(dāng)某臺(tái)消防機(jī)器人因高溫導(dǎo)致液壓系統(tǒng)效率下降時(shí)，任務(wù)再分配協(xié)議觸發(fā)機(jī)制響應(yīng)時(shí)效性有待提升，可能影響整體滅火效能的穩(wěn)定性。

人機(jī)交互界面存在人因工程優(yōu)化需求，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備呈現(xiàn)的多維度信息在認(rèn)知負(fù)荷管理方面值得改進(jìn)，關(guān)鍵參數(shù)的視覺(jué)凸顯設(shè)計(jì)與實(shí)際操作需求存在適配空間。在高層建筑火災(zāi)的多單元協(xié)同作戰(zhàn)中，地面機(jī)器人組、無(wú)人機(jī)群與消防員小組間的行動(dòng)時(shí)序同步精度有待強(qiáng)化，破拆作業(yè)產(chǎn)生的建筑結(jié)構(gòu)變化信息存在系統(tǒng)映射延遲現(xiàn)象，二次坍塌預(yù)警機(jī)制的響應(yīng)速度仍需持續(xù)優(yōu)化。此外，應(yīng)急預(yù)案中的人機(jī)協(xié)作規(guī)程尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化操作清單，不同廠商設(shè)備接入指揮系統(tǒng)時(shí)需進(jìn)行臨時(shí)協(xié)議適配，嚴(yán)重影響黃金救援期的處置效率。

2.3" 人員能力與培訓(xùn)的系統(tǒng)性仍需加強(qiáng)

消防指戰(zhàn)員在人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中的角色定位尚未完成從“操作執(zhí)行者”向“系統(tǒng)管理者”的轉(zhuǎn)型?，F(xiàn)有培訓(xùn)體系偏重單一裝備操作技能培養(yǎng)，對(duì)多機(jī)協(xié)同原理、智能算法局限性等底層邏輯的傳授深度有待加強(qiáng)。部分一線消防員無(wú)法準(zhǔn)確解讀智能偵察系統(tǒng)提供的熱力學(xué)態(tài)勢(shì)圖例，對(duì)設(shè)備預(yù)警信息的誤判可能導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)決策偏差。指揮員群體在人機(jī)協(xié)同效能評(píng)估方面能力建設(shè)仍需深化，在混合編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)把握人工干預(yù)時(shí)機(jī)的精準(zhǔn)度需要經(jīng)驗(yàn)積累與專項(xiàng)訓(xùn)練。

訓(xùn)練場(chǎng)景的真實(shí)性與復(fù)雜性與實(shí)際火場(chǎng)環(huán)境存在差距，現(xiàn)有模擬火場(chǎng)對(duì)通信干擾、能見(jiàn)度驟降等復(fù)合致險(xiǎn)要素的模擬完整度有待提高，導(dǎo)致受訓(xùn)人員在人機(jī)協(xié)同應(yīng)急處置中形成“訓(xùn)練-實(shí)戰(zhàn)”能力落差。培訓(xùn)課程尚未建立智能裝備故障的應(yīng)急操作標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)機(jī)器人突發(fā)控制系統(tǒng)宕機(jī)時(shí)，消防員缺乏快速切換人工接管模式的規(guī)范化處置流程。此外，裝備研發(fā)人員與消防戰(zhàn)術(shù)專家的知識(shí)融合存在深化空間，技術(shù)參數(shù)設(shè)定與實(shí)戰(zhàn)需求存在一定程度的匹配偏差，如部分無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間未考慮火場(chǎng)上升氣流導(dǎo)致的額外能耗，直接影響偵察作業(yè)連續(xù)性。

3 人機(jī)協(xié)作模式的優(yōu)化策略

3.1" 技術(shù)集成創(chuàng)新路徑

提升人機(jī)協(xié)作效能需突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，構(gòu)建具備環(huán)境自適應(yīng)能力的智能裝備體系。在感知層，研發(fā)多模態(tài)傳感器融合技術(shù)，將紅外熱成像、毫米波雷達(dá)與氣體光譜分析相結(jié)合，通過(guò)特征級(jí)信息互補(bǔ)提升火場(chǎng)偵察精度。針對(duì)高溫環(huán)境設(shè)計(jì)耐熱型光電復(fù)合纜，實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與能源供給一體化。數(shù)據(jù)處理層應(yīng)建立邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在無(wú)人機(jī)端部署輕量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)火勢(shì)蔓延趨勢(shì)進(jìn)行在線預(yù)測(cè)，壓縮數(shù)據(jù)傳輸至指揮中心的決策響應(yīng)延遲。

優(yōu)化智能裝備的自主決策算法，引入深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制，使滅火機(jī)器人能夠基于實(shí)時(shí)熱輻射梯度動(dòng)態(tài)調(diào)整射流參數(shù)與行進(jìn)路徑[2]。在集群控制方面，開(kāi)發(fā)抗干擾的分布式協(xié)同框架，利用UWB定位與慣性導(dǎo)航融合技術(shù)，確保無(wú)人機(jī)群在室內(nèi)復(fù)雜空間中的編隊(duì)穩(wěn)定性。針對(duì)裝備熱防護(hù)與機(jī)動(dòng)性矛盾，探索相變材料與主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的組合應(yīng)用，通過(guò)熱沉效應(yīng)延長(zhǎng)機(jī)器人近火作業(yè)時(shí)間，同時(shí)采用仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)降低運(yùn)動(dòng)能耗。

強(qiáng)化系統(tǒng)兼容性需建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，制定消防裝備接口的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備在指揮平臺(tái)的無(wú)縫接入。開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí)，需將建筑BIM模型與消防物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在時(shí)空基準(zhǔn)上精確對(duì)齊，通過(guò)三維點(diǎn)云實(shí)時(shí)更新技術(shù)，確保動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)沙盤的構(gòu)建延遲控制在10s以內(nèi)。此外，應(yīng)構(gòu)建裝備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)采集電機(jī)溫度、液壓壓力等關(guān)鍵參數(shù)，為任務(wù)動(dòng)態(tài)分配提供底層數(shù)據(jù)支撐。

3.2" 協(xié)同流程重構(gòu)方案

重構(gòu)人機(jī)協(xié)同指揮架構(gòu)需建立“感知-決策-執(zhí)行”的動(dòng)態(tài)閉環(huán)。在戰(zhàn)略層，指揮系統(tǒng)應(yīng)集成態(tài)勢(shì)推演模塊，基于燃燒動(dòng)力學(xué)模型預(yù)判火勢(shì)發(fā)展，自動(dòng)生成多套作戰(zhàn)方案供指揮員決斷。戰(zhàn)術(shù)層實(shí)施任務(wù)智能分發(fā)機(jī)制，根據(jù)設(shè)備性能衰減系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整作戰(zhàn)編組，當(dāng)某機(jī)器人液壓系統(tǒng)效率下降至閾值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)鄰近設(shè)備的任務(wù)接替協(xié)議。執(zhí)行層需規(guī)范人機(jī)交互動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)，制定機(jī)械臂操作、水炮射流角度等42項(xiàng)精細(xì)化控制規(guī)程。

優(yōu)化多個(gè)無(wú)人機(jī)協(xié)同邏輯需建立分級(jí)響應(yīng)機(jī)制。一級(jí)協(xié)同由裝備自主完成基礎(chǔ)作業(yè)，如無(wú)人機(jī)群自動(dòng)保持火場(chǎng)監(jiān)測(cè)覆蓋；二級(jí)協(xié)同需人員介入決策，如破拆機(jī)器人遇到承重結(jié)構(gòu)時(shí)自動(dòng)暫停并請(qǐng)求指令確認(rèn)；三級(jí)協(xié)同應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，當(dāng)熱流突變導(dǎo)致路徑規(guī)劃失效時(shí)，啟動(dòng)人工遙控接管模式。在交互界面設(shè)計(jì)上，應(yīng)用眼動(dòng)追蹤技術(shù)識(shí)別消防員關(guān)注焦點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)施動(dòng)態(tài)可視化增強(qiáng)，將認(rèn)知負(fù)荷降低。

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)急響應(yīng)流程需明確3類接管情形：設(shè)備故障時(shí)啟動(dòng)人工直接控制，通信中斷時(shí)啟用預(yù)設(shè)應(yīng)急方案，環(huán)境突變時(shí)切換保守作戰(zhàn)模式。針對(duì)多單元協(xié)同，建立時(shí)空同步機(jī)制，要求破拆作業(yè)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)在5s內(nèi)同步至所有作戰(zhàn)單元。開(kāi)發(fā)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)每項(xiàng)人機(jī)協(xié)同指令進(jìn)行安全邊界校驗(yàn)，當(dāng)水炮射流可能破壞建筑穩(wěn)定性時(shí)自動(dòng)鎖止執(zhí)行機(jī)構(gòu)并發(fā)出預(yù)警。

3.3" 人才培養(yǎng)體系升級(jí)

消防員能力轉(zhuǎn)型需建立“技術(shù)認(rèn)知-系統(tǒng)操控-戰(zhàn)術(shù)創(chuàng)新”的三階培養(yǎng)體系?；A(chǔ)層設(shè)置智能裝備原理課程，重點(diǎn)講解傳感器誤差形成機(jī)制、算法決策邊界等核心知識(shí)。中級(jí)層開(kāi)展多機(jī)協(xié)同模擬訓(xùn)練，設(shè)置通信干擾、設(shè)備故障等12類特情處置模塊。高級(jí)層培養(yǎng)戰(zhàn)術(shù)創(chuàng)新能力，通過(guò)戰(zhàn)例推演分析人機(jī)協(xié)同的28種典型失誤模式，提升指戰(zhàn)員的系統(tǒng)優(yōu)化能力。

革新訓(xùn)練手段需構(gòu)建虛實(shí)融合的火場(chǎng)環(huán)境。利用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬高溫?zé)彷椛涞纳砀兄?，在虛擬訓(xùn)練中植入設(shè)備信號(hào)延遲、傳感器誤報(bào)等干擾因素。開(kāi)發(fā)智能陪練系統(tǒng)，根據(jù)受訓(xùn)者操作習(xí)慣動(dòng)態(tài)調(diào)整訓(xùn)練難度，對(duì)戰(zhàn)術(shù)決策偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)因果分析。建立人機(jī)協(xié)同考核的量化指標(biāo)體系，將裝備狀態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確率、多機(jī)調(diào)度響應(yīng)速度等7項(xiàng)參數(shù)納入崗位能力認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

深化產(chǎn)學(xué)研協(xié)同需建立“需求-研發(fā)-驗(yàn)證”的閉環(huán)機(jī)制。每季度組織消防指戰(zhàn)員與裝備工程師開(kāi)展需求對(duì)接會(huì)，將火場(chǎng)處置中的209項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作轉(zhuǎn)化為技術(shù)參數(shù)。在裝備測(cè)試階段引入實(shí)戰(zhàn)化評(píng)估流程，要求新型機(jī)器人在模擬火場(chǎng)中連續(xù)完成破拆、滅火、搜救等復(fù)合任務(wù)。建立知識(shí)共享平臺(tái)，整理收錄典型戰(zhàn)例中的人機(jī)協(xié)同數(shù)據(jù)，為算法優(yōu)化提供真實(shí)訓(xùn)練樣本。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)構(gòu)建環(huán)境自適應(yīng)感知技術(shù)體系，開(kāi)發(fā)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的自主決策算法，重構(gòu)多機(jī)協(xié)同的彈性響應(yīng)機(jī)制，培育指戰(zhàn)員的系統(tǒng)管理思維，能夠有效突破當(dāng)前人機(jī)協(xié)同中的技術(shù)天花板與戰(zhàn)術(shù)瓶頸。優(yōu)化方案在提升火情偵察實(shí)時(shí)性、保障高危作業(yè)安全性和增強(qiáng)指揮決策科學(xué)性等方面展現(xiàn)出顯著價(jià)值。后續(xù)研究需重點(diǎn)關(guān)注智能算法與消防戰(zhàn)術(shù)的深度融合，推動(dòng)人機(jī)協(xié)作模式從靜態(tài)規(guī)則執(zhí)行向動(dòng)態(tài)認(rèn)知協(xié)同升級(jí)，同時(shí)加強(qiáng)裝備研發(fā)、戰(zhàn)術(shù)創(chuàng)新與人員培訓(xùn)的閉環(huán)銜接，為構(gòu)建新一代智能消防體系奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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