消防機器人在滅火救援中的研究

謝永利

（青島市消防救援支隊，山東 青島 266019）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，技術(shù)水平的進步，各個領(lǐng)域均在大力尋求可以提高生產(chǎn)效率的新型技術(shù)。然而在現(xiàn)階段，智能化科學技術(shù)也推動了進步，機器人即為人工智能技術(shù)的產(chǎn)物。在消防救援的過程中，使用消防機器人可以最大限度地提升滅火作業(yè)的效率，為消防人員的安全提供穩(wěn)定可靠的保障。

1 消防機器人的基本概念及應用特點

相關(guān)工程技術(shù)人員如果要在一類任務中充分發(fā)揮某種新型技術(shù)的全部優(yōu)勢，就需要對相關(guān)基本概念全面地掌握并理解，這樣操作就可以精準地把握相關(guān)技術(shù)的使用方法，通過科學合理的方式體現(xiàn)該技術(shù)的重要作用。

1.1 消防機器人的基本概念

消防機器人的基本概念是在消防滅火救援的進程中所應用的機器人是一類具備特殊功能的機器人，消防機器人的產(chǎn)生為消防滅火救援任務的順利開展創(chuàng)造了全新的工作理念，同時也為保障相關(guān)消防救援人員的生命安全提供有利保障。

1.2 消防機器人的主要類型

消防機器人的主要類型有機械手臂形式、救援拖斗形式及行走系機器人3種。機械手臂機器人的主要結(jié)構(gòu)是機械手臂，機械手臂的使用能夠迅速將相關(guān)閥門打開，采用科學的方法去捕捉特定的目標，甚至可以對被困人員進行搶救。救援拖斗消防機器人在消防滅火救援過程中充當擔架的角色，當機械手臂消防機器人把受傷人員放置在救援拖斗消防機器人上面的時候，此時，相關(guān)消防機器人就開始工作。行走系消防機器人的結(jié)構(gòu)主體為履帶式行走機器人。相關(guān)工程技術(shù)人員全方位掌握了消防救援機器人的主體構(gòu)造，使所有種類消防救援機器人都可以最大程度地發(fā)揮其功能[1]。

1.3 消防機器人設計與開發(fā)

該類機器人的設計框架結(jié)構(gòu)中包括組成消防救援體系的關(guān)鍵要素——多類型的傳感裝置、電氣裝置、電源裝置、DC電機及其驅(qū)動單元裝置。為此，該消防救援裝置中最核心的是微型控制模塊。各部分裝置通過微控制裝置的協(xié)調(diào)作用構(gòu)成一個統(tǒng)一完整的系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中藍牙模塊、火焰?zhèn)鞲衅骷俺暡▊鞲衅鲗儆谔綔y部分；GSM模塊、伺服電機及報警電路屬于驅(qū)動部分；機器人主體結(jié)構(gòu)由水泵、泵驅(qū)動板、微控制器、電機驅(qū)動板及電機構(gòu)成，探測部分負責探測相關(guān)的火情信息，驅(qū)動部分負責根據(jù)相應指令，向微控制器發(fā)出相應信號，微控制器根據(jù)上述信號操控機器人的各個系統(tǒng)，做出各類動作。在總體設計的開發(fā)過程中，設計人員需要多次進行試驗，驗證各個相關(guān)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，滿足及其人主體框架所有相關(guān)功能的完整性及運行的平穩(wěn)性需求。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

微控制模塊集中協(xié)調(diào)全部的傳感裝置和制動裝置間的動作及聯(lián)系。2個DC電動機負責驅(qū)動機器人裝置的2個滾輪；移動通信網(wǎng)絡系統(tǒng)可以精確捕捉機器人當前的位置信息；藍牙系統(tǒng)主要負責與機器人進行通信；超聲波類型的傳感裝置用于探測并且提示機器人及時避開路線上的障礙物，火焰?zhèn)鞲醒b置用來探測現(xiàn)場火情；電機及泵驅(qū)動踏板分別控制電動機及泵裝置。

1.4 系統(tǒng)的硬件設計

1.4.1 Arduino MEGA 2650 系統(tǒng)開發(fā)板介紹

該設計應用Arduino系統(tǒng)開發(fā)板，這是因為其能夠方便快捷地轉(zhuǎn)移相關(guān)程序。Arduino系統(tǒng)自帶56個數(shù)字參數(shù)輸入/輸出端口，配備18 MHz頻率的晶振單元，另外還有Arduino與電腦相連的端口，直接安置在相關(guān)的功能模塊中。根據(jù)研究工作的需要，可使用串行總線將Arduino系統(tǒng)連接到筆記本電腦，對其進行編程操作。集成Arduino開發(fā)環(huán)境是基于C語言進行運行的。系統(tǒng)流程如圖2所示。在該過程中，系統(tǒng)初始狀態(tài)首先對探測裝置發(fā)出的藍牙信號進行尋找，其次進行超聲波傳感器信息的檢測，最后對火焰?zhèn)鞲衅餍盘栠M行檢測。如果系統(tǒng)偵查到障礙物，需要對行進系統(tǒng)進行調(diào)整，沒有則繼續(xù)前進；如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)火情，就發(fā)出報警信號，隨后向火焰方向前進，到達設定位置開啟水泵進行滅火操作，如果沒有發(fā)現(xiàn)火情，則繼續(xù)前進。上述過程循環(huán)進行，直到滅火任務圓滿完成。

圖 2 系統(tǒng)流程

1.4.2 火焰?zhèn)鞲醒b置單元模塊

火焰?zhèn)鞲醒b置用于識別熱能并且向微控制單元發(fā)出警示信號。為防止傳感裝置受損，機器人不宜距離起火源頭過近。改裝置配備1個電位計用于調(diào)整系統(tǒng)的靈敏程度。該模塊的核心部件是火情探測的部分及具有數(shù)字輸出能力的比較器裝置部分。火情探測的單元的功能是向微控制單元傳送相關(guān)信息。

1.4.3 超聲波傳感裝置單元模塊

人類通常能聽到20 Hz～20 000 Hz頻率區(qū)間的聲音，假如依靠人類自身聽力，探測的信息范圍比較有限。如果使用超聲波傳感裝置，捕捉的頻率范圍將加大。其原理類似測量裝置，借助回波數(shù)值的識別，來測定距離。

1.4.4 移動通信系統(tǒng)單元模塊

全球定位通信系統(tǒng)的單元模塊/GSM指的是一個芯片組，主要作用是在移動終端設備或者其他機器設備與全球定位通信系統(tǒng)或者全球定位通信系統(tǒng)間進行有效地通信。電子裝備是關(guān)鍵的組成部分，一般會根據(jù)實際需求，借助微控制單元或者是電腦相關(guān)接口。全球定位通信系統(tǒng)的電子裝備在交易活動終端設備、保護功能的程序中均包括數(shù)量眾多的選擇數(shù)據(jù)包。

1.4.5 伺服電機單元

伺服電機的使用在移動類型的機器人、無人駕駛飛機或者無人駕駛汽車中得到了廣泛的應用。伺服電機系統(tǒng)的設計目標尺寸精度范圍由微型直到工業(yè)領(lǐng)域的大型區(qū)間。伺服電機系統(tǒng)生成信號，可以輸出軸所在的相應角度信號。

1.5 消防機器人的優(yōu)點及缺點

消防機器人的優(yōu)點是該裝置能夠代替消防救援人員完成某些難度較大、危險系數(shù)較高的救援任務，例如在缺氧含量較低、濃煙及有毒有害氣體的環(huán)境之中，消防機器人依舊能夠完成相關(guān)消防滅火救援任務，有效降低消防救援人員的傷亡概率，還可以為消防滅火救援工作爭取非常寶貴的時間。在消防滅火救援的進程中，有大量工作具有明顯的重復性，假如要求消防救援人員持續(xù)進行相關(guān)工作，不僅會造成人力及物力不必要的浪費，還會影響消防滅火救援任務的執(zhí)行效率。因此，在相關(guān)狀況下合理使用消防機器人，讓它們?nèi)?zhí)行機械的重復勞動，確保整體消防救援工作的順利開展。特別是消防機器人具有可操作性優(yōu)良的特性，只要在特定的周期內(nèi)對它們進行全面的維修及保養(yǎng)，就能夠最大限度地發(fā)揮消防機器人的優(yōu)勢，為消防救援人員的工作減輕相應的負擔[2]。

消防機器人的缺點是制造成本高。在許多經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，很少會使用消防機器人進行滅火救援工作。消防機器人只在經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)才可以得到推廣及應用。從本質(zhì)上來說，消防機器人是一類非常特殊的機器人，在設計制造過程中不僅需要消耗較多的人力及物力，而且還增加了制造成本。因為相關(guān)工程技術(shù)人員在設計制造進程中，一些技術(shù)還不符合相關(guān)消防機器人的設計使用要求，所以消防機器人的最終成品產(chǎn)量較低，而且銷售價格非常高。消防機器人在應用過程中，還需要配備相關(guān)的售后服務人員對其進行周期性的維護及保養(yǎng)，使消防機器人可以在執(zhí)行消防救援任務的過程中全面體現(xiàn)出具備的優(yōu)點。因為消防機器人是一類科技含量較高的復雜裝置，所以對進行維修保養(yǎng)的技術(shù)操作人員的專業(yè)水平要求較高，他們需要掌握消防機器人的總體結(jié)構(gòu)，這樣才可以保證他們在消防機器人維修保養(yǎng)工作的過程中，能夠有明確的目標及方向?？偠灾?，消防機器人的應用是一種利大于弊的行為，可以提高消防滅火救援任務的執(zhí)行效率。

2 消防救援任務中應用消防機器人的重要意義及實際應用

2.1 消防救援任務中應用消防機器人的重要意義

由于我國的火災事故近年來頻繁發(fā)生，消防領(lǐng)域的工作越來越受到社會各界的普遍關(guān)注。假如開發(fā)出一種能輔助消防滅火救援任務的技術(shù)，就可以為消防人員的生命安全提供更大的保障，這已經(jīng)成為消防領(lǐng)域中的重點關(guān)注課題。消防機器人的應運而生為消防救援任務帶來了一種全新的工作執(zhí)行模式，在現(xiàn)代消防滅火救援過程中發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。在火災現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣的情況下，消防人員滅火救援工作的過程將會面臨極大的困難，必須要處于高溫并且有毒有害氣體濃度較大的環(huán)境中，嚴重威脅了消防人員的生命安全。這種情況下應用消防機器人進行作業(yè)，可以最大限度地解決該問題，機器人可以代替消防人員進行某些危險的工作，并能在緊張的消防救援過程中爭取到寶貴的時間，確保救援任務順利開展的時效性及科學性。在消防滅火救援任務執(zhí)行過程中，消防機器人的應用還能夠鼓舞消防人員的士氣，使其安全感得到提高，由于消防機器人的科學應用可以推動滅火救援任務的安全實施，因此能夠平穩(wěn)消防人員的心態(tài)，可見，消防機器人在消防滅火救援任務執(zhí)行過程中起到了重要的作用。

2.2 在消防救援任務中應用消防機器人

2.2.1 在高層建筑物滅火任務中的實際應用

現(xiàn)階段，高層建筑物是國內(nèi)建筑的主流形式，一旦在高層建筑物中出現(xiàn)火情，由于主體結(jié)構(gòu)等原因的制約導致火勢蔓延較快，并且被困人員的撤離、救援滅火等任務的實施難度比較大。其表現(xiàn)為由于建筑物過高，因此消防車配備的云梯不能達到實際滅火救援工作的要求，并且消防員在攀登高度方面也存在一定的限制；除此以外，高層建筑物出現(xiàn)火情后煙氣及有毒有害氣體很難及時排放，滅火用水水位和供水量也很難達到相應的要求。為此，將消防機器人裝備投入消防救援的任務中，可以依靠消防機器人的各類功能優(yōu)勢來應對相應的困難，相關(guān)設計人員在開發(fā)消防機器人的進程中，需要綜合考慮高層建筑物主體結(jié)構(gòu)的特點，保證消防機器人具有完善的滅火系統(tǒng)，并可以上下樓，能夠?qū)鹎楝F(xiàn)場狀況進行分析和反饋，并且可以針對被困人員進行救援。

2.2.2 在地下建筑及地鐵通道中的實際應用

地下空間通常為相對封閉形式的模式，如果出現(xiàn)火情，相應空間內(nèi)的溫度就會快速上升，并且煙霧及有毒有害氣體的濃度也會相應提高，這種情況對于消防人員進行救援工作造成了極大的困難，火災現(xiàn)場內(nèi)的消防人員的安全面臨較大的威脅。在相關(guān)領(lǐng)域中使用消防機器人，可以解決地下建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部滅火救援任務中出現(xiàn)的難題，將該類火情導致的傷亡以及財產(chǎn)損失降到最低。在地鐵系統(tǒng)的隧道中，對于突發(fā)的火情設定了嚴格的解決方案，地鐵車輛及隧道內(nèi)部設計可以完美應對火災，然而，隧道內(nèi)一旦出現(xiàn)火情，滅火和救援任務執(zhí)行的難度極大。此時，將具備攀爬能力的消防機器人應用于地鐵中或作為地鐵站內(nèi)部的消防裝備，能夠確保及時進行高效的滅火救援任務。

2.2.3 在石油化工等高危場地中的實際應用

從某地的化學物品爆炸事故中可以看出，在存放石油等危險產(chǎn)品的場所中，如果出現(xiàn)火情，可能帶來爆炸的風險，此時消防人員很難安全地進入現(xiàn)場，執(zhí)行快速有效的消防救援任務，執(zhí)行任務的危險性非常大。在相關(guān)領(lǐng)域中應用消防機器人，可以大幅度減少消防人員的傷亡和損失，為迅速進行救援、防止火情的惡化提供進一步保障。

3 消防機器人在消防滅火救援任務中的實際應用策略

3.1 在執(zhí)行密閉空間以及地下室內(nèi)部采取消防滅火救援行動

一旦在地下空間或是相對密閉的空間內(nèi)發(fā)生火情，便有可能在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)大量濃煙聚集的現(xiàn)象，且上述濃煙及有毒有害氣體很難順利排出，因此會嚴重威脅空間內(nèi)全部人員的生命安全。所以，在該種情況下，救援任務無法順利進行，消防人員生命及健康也很難得到保證。近年來，密閉空間內(nèi)執(zhí)行救援任務犧牲的消防人員為數(shù)眾多，通常均為密閉空間內(nèi)出現(xiàn)窒息情況而導致的。然后，在該種狀況下應用消防機器人就能夠妥善地應對相關(guān)問題，這是因為即使在充滿濃煙及有毒有害氣體的密?？臻g內(nèi)，消防機器人也能夠正常工作和執(zhí)行救援任務，還能夠利用本身配備的高清攝像頭，給相關(guān)消防人員提供密閉空間內(nèi)部情況的清晰影像，以確保指揮人員能夠迅速制定消防滅火救援的策略，并且實時向機器人發(fā)出適當?shù)墓ぷ髦噶?，用來提升消防滅火救援任務?zhí)行的效率[3]。

3.2 特殊情況下的消防滅火救援任務

通常來講，低溫及高溫的情況均會對消防滅火救援任務的推進造成阻礙。在某些氣溫較低的情況下，會出現(xiàn)氣體燃燒的問題，發(fā)出大量有害的物質(zhì)，大幅度增加了消防救援任務的困難。因此可以利用機器人攜帶的大功率排煙設備，排除有害氣體，保證現(xiàn)場的能見度，保證后期滅火任務的順利開展。

4 結(jié)語

綜上所述，消防機器人在滅火救援任務中的前景廣闊，它既可以減少消防人員的傷亡，還能增強消防任務的執(zhí)行效率。該文首先介紹了消防機器人的基本概念，其次其重要性，最后研究了消防機器人在相對密閉的空間、高層建筑物以及特殊情況下的實際應用，方便相關(guān)人員能夠科學地應用消防機器人。