基于消防機器人的救援輔助系統的研究

鄭 鵬

（佛山市公安消防支隊，廣東 佛山 528000 ）

1 引言

機器人技術最初起源于軍事領域的戰場偵察、戰場清掃等，在20世紀80年代以前就有人開始從理論上對機器人應用于災害搜救工作進行了探討。目前，災難救援機器人技術正從理論和試驗研究向實際應用發展，消防機器人在我國也開始進入到各項消防工作中，上海消防科學研究所自主研發的我國第一代消防機器人已經在消防部隊裝備使用。通過對現有消防機器人的使用狀況進行分析可以發現，消防機器在各項救援工作中僅是作為一種單一的救援工具，而這種使用方式很難充分發揮消防機器人的能力，現今的消防機器人技術正向著多機器人協作的方向發展。

滅火救援工作是在指揮中心統一指揮下進行的，如果將不同功能的消防機器人結合起來并與現有的消防指揮信息網相結合，可以充分發揮消防機器人的作用。筆者在這里提出一種基于消防機器人的救援輔助系統，本套系統可以充分融入到現有的救援通信指揮網，極大的提高人與機器之間的協作配合能力。

2 救援輔助系統的組成

基于消防機器人的救援輔助系統是一套以消防機器人為核心，用來輔助消防隊員開展各項救援工作的系統。它由消防機器人、消防機器人后場控制臺和救援指揮中心三部分組成，圖1為基于消防機器人的救援輔助系統與救援通信指揮網結合后的作戰模式。

2.1 消防機器人

在整個救援輔助系統中，消防機器人是完成救援工作的主要部分。在救援現場，消防機器人獨立或者協同消防隊員完成各項救援任務，主要由三類不同特征的消防機器人承擔對應的救援任務。

1）飛行機器人。目前的飛行機器人有固定翼機器人、旋翼機器人和高空氣球機器人等，其主要進行火場過火面積測量、火勢預測、救援人員和車輛的定位、高空投遞自救器材等工作。

2）搜救機器人。搜救機器人有輪式機器人、履帶式機器人和仿生機器人等，可以完成火場內部對消防隊員的器材和裝備支援、在火場內部進行人員搜索、現場臨時醫療救助、危險品事故現場監測處置、危險建筑內部搜救等工作。

3）滅火機器人。滅火機器人主要為搭載水炮、泡沫泡等滅火劑噴射器具的機器人，其任務是代替消防員進行滅火劑近距離噴射，同時可以監測火場內部情況。

2.2 消防機器人后場控制臺

消防機器人后場控制臺是負責連接消防機器人和救援指揮中心的部分，在本套系統中它需要完成對現場使用的機器人進行統一的監控和操作等工作。隨著救援機器人的發展，救援機器人不再依靠單一傳感器的來完成對環境的感知，而是通過多傳感器信息融合完成認知和適應的，目前救援機器人在工作中用到的一個重要技術就是多傳感器信息融合技術。

由于多種傳感器技術得到廣泛的使用，如激光測距儀、視覺傳感器、熱成像儀、有毒氣體探測器等不同種類的傳感器在消防機器人上會大量的應用，這使機器人傳回后場的數據種類繁多，而且各消防機器人在使用中還需要做到數據之間的相互通信和共享。這就需要各個消防機器人先通過有線或者無線的方式將自身狀況和火場信息先傳輸給后場控制臺，由后場控制臺對這些信息進行篩選后上報給救援指揮中心并實現各機器人之間的數據共享。同時，后場控制臺接收來自救援指揮中心的命令，并將命令轉化為機器指令傳輸給消防機器人執行。

2.3 救援指揮中心

救援指揮中心是實現消防機器人救援輔助系統和救援通信指揮網相結合的主要部分。消防機器人在救援現場通過各種傳感器采集到的火場溫度、建筑物結構強度、有毒氣體濃度等現場實時信息，通過后場控制臺發送給救援指揮中心。救援指揮中心結合救援現場實際情況對這些實時信息做出分析判斷后，通過消防機器人救援輔助系統和救援指揮信息網分別向消防機器人和消防隊員下達作戰指令，實現消防機器人和消防隊員相互協作參與災害救援，使機器與人達到一個最佳的組合工作狀態。

3 救援輔助系統的應用

基于消防機器人的救援輔助系統可以應用到滅火救援和地震救援等各項消防工作中，由于其可以從現有救援通信指揮網獨立出來完成工作，所以更加有利于在各項消防工作中指揮調度，圖2為其在火災救援中使用的一個例子。

3.1 救援輔助系統的應用范圍

1）火災救援。在各種火災撲救工作中，基于消防機器人的救援輔助系統可以在失火建筑內部情況不明時，由搜救機器人獨立或者輔助偵查人員進入火場，通過消防機器人上的各種傳感器對火場內部溫度、過火面積和燃燒物質種類進行監測，同時在煙霧較大的情況下利用機器上的熱成像設備查找被困人員方位，并為現場搜救人員提供簡易的救助設備。滅火機器人負責在消防隊員無法作戰的高溫危險區域進行近距離滅火作戰，同時實時監控失火建筑的結構強度，由于機器人可以在忽略其部分自身安全性的條件下在消防人員無法工作的特殊地點進行滅火救援工作，這極大程度上提高了其在滅火救援工作中的戰斗力。高空機器人在滅火救援的過程中提供火場外圍的全方位圖像信息，在大跨度火場和高層建筑火場中可以向消防隊員無法到達的區域投擲簡易逃生器材。

2）地震救援。在地震救援中，高空機器人利用其地理位置優勢幫助指揮中心和救援隊員了解災害現場情況，提供房屋損毀及倒塌的畫面場景、精確位置、搜救人員地面線路、救援人員現場作業等實時信息，并協助救援隊完成危樓建筑排查工作。同時，地面搜救機器人利用其傳感器信息處理能力強的優勢，可以攜帶多種傳感器，實現廢墟內圖、聲、氣、溫等多種檢測，可以更有效地發現被困者的位置，對指導救援工作的開展有非常重要的意義。由于機器人的機動性和搬運破拆能力都強于人類，而且通過電池補給可以連續工作，這樣提高了搜救的效率。使用搜救機器人可以提高救援隊員的安全系數，能避免二次倒塌所帶來的傷亡。各種類型的搜救機器人可以根據任務的類型及環境而改變自身的構型，適應多樣化地震廢墟環境。進入危險或救援人員無法進入的廢墟，并隨時監視廢墟的變化，防止發生倒塌危及救援人員，提供幸存者周圍環境信息及救援通道的信息，方便施救。

3）危險化學品事故處置。當核電廠、化工廠等設施出現有毒、易爆危險化學品泄露事故時，如果沒有相應的防護和支援，即使訓練有素的專業救援人員也不能輕易開展工作，而戴上防護用具之后又會限制搜救人員對環境的感知能力，延緩救援工作的進程。這些危險因素給救援工作帶來了極大的阻礙，常常使救援工作付出慘痛的代價。消防機器人由于不需要復雜的防護裝備，可以攜帶各種專業的測試設備進入危險化學品泄露事故的重度泄露部位，查找泄露點并提供泄露點附近的環境狀況，為處置泄露提供充足的信息保障。同時，在專業救援人員進行堵漏處理時，可以輔助完成稀釋泄露化學品和實時監測現場泄露情況等工作。

4）水域救援。在遇到情況比較復雜的水域救援工作時，消防機器人可以充分發揮其移動范圍受限少的優點，通過水上機器人和高空機器人對遇險者給予全方位的及時救助。相對與現有水域救援使用拋投器和人工救助的方式，利用消防機器人可以更加安全準確高效的將纜繩、救生衣等緊急救助裝備投遞到遇險者手中。

3.2 救援輔助系統的優勢及不足

目前，消防機器人的使用狀況還處在僅將機器人作為一種救援工具獨立使用的階段，很少將不同種類的消防機器人組合起來使用。而基于消防機器人的救援輔助系統提供了一種將不同種類的消防機器人進行組合使用的方法，最大限度的發揮了消防機器人的優勢。其與滅火救援指揮通信網相結合，充分體現了人與機器之間的協作配合，擴大了消防機器人的使用范圍，也極大的提高了消防人員的安全系數。

但消防機器人屬于高新電子技術與制造技術的結合體，目前還只有少數幾個發達國家有能力進行研發和使用，而且消防機器人的結構一般都比較復雜，其研發周期長，使用和維護成本均較高。機器人技術是一門高精尖技術，對使用者與維護者的專業素質與技能要求高于一般的消防裝備，這間接的增加了其使用與維護費用。

4 結束語

隨著機器人技術的不斷發展和消防工作的需要，消防機器人將越來越多應用在滅火救援工作中，如何更好的使用這些消防機器人將變的極為重要。由于各種災害事故現場情況的多樣性，利用同一種類消防機器人來解決所有災害事故救援問題是不可能的，這就需要為消防機器人建立一個科學高效的使用方案，基于消防機器人的救援輔助系統很好的解決了這個問題，為消防機器人團隊化工作并與現有通信指揮網相結合提供了一個新的方向。

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