人工智能在消防裝備中的應用

俞 晨

（北京市懷柔區消防救援支隊，北京 101400）

人工智能技術的應用背景是計算機信息技術，自人工智能技術誕生以來各行各業都在向著智能化方向邁進，利用人工智能技術人類從繁重的勞動中解放出來，人工智能可以代替人們完成那些危險系數高、精確度要求高的工作，提高了勞動效率與工作質量。消防裝備是消防救援工作有效開展的重要基礎，在運用人工智能技術后消防裝備的智能化水平提升，救援效率、救援效果都發生了質的轉變，也保障了消防人員與人民群眾的生命財產安全。

1 人工智能與消防裝備

人工智能屬于計算機科學的重要分支，目前在機器人、控制系統、仿真系統中的應用較為廣泛。人工智能也可以理解為利用計算機模擬人的思維與行為，比如自主學習、推理、思考、規劃等，目前已基本囊括了自然科學和社會科學的全部學科[1]。隨著社會的發展，消防在保障人民群眾生命財產安全方面發揮的作用越來越重要，消防安全也逐漸成為社會關注的焦點。但是消防救援具有較高的危險性，我國每年都有消防隊員在火災撲救、搶險救援工作中失去寶貴的生命。為有效降低消防救援的危險系數，保障消防人員的個人安全，人工智能技術開始應用于消防救援裝備中，消防人員利用智能化消防救援裝備從事一些難度系數較高、危險性較大的搶險救援工作，在保障人民生命財產安全的同時消防人員的生命安全也得到了保護。

2 人工智能在消防裝備中的具體應用

2.1 消防機器人

目前針對消防機器人的研究已經在世界各地廣泛展開，我國在這一領域的研究開始于20 世紀90年代，經過20 多年的發展已經可以在滅火、偵察、救援、排爆等危險工作中替代消防人員完成作業。在消防救援工作中消防機器人往往需要進入有毒、濃煙、高溫、缺氧的環境中，因此應具有耐高溫、防煙霧等性能。在進入火災現場后消防機器人通過高清攝像頭能夠快速精準的識別火場中的物體、確定物體的大小；利用感應裝置實時監測火災現場的溫度、氣體，確定著火點位置；通過圖像處理技術、無線通信技術實現人機交互并完成信息的傳輸。隨著人工智能技術的應用與發展，消防機器人的類型也逐步細化，比如滅火機器人可以進入危險區域完成探測、偵察工作，還可通過攜帶的消防水炮對目標物體進行噴射滅火或者進行冷卻降溫。第120 頁圖1 為消防救援中3 種常見的消防機器人。

圖1 消防機器人

1）火場溫度的監測。消防機器人安裝有紅外溫度傳感器，可以接收到來自于火場內物體的紅外線輻射，經過信號轉化后輸送到控制端，消防人員通過發射紅外線的強度可以確定物體表面溫度。

2）火場可燃氣體的檢測。消防機器人安裝有可燃氣體傳感器，其原理是利用了金屬鉑絲高溫狀態下電阻發生變化的特性。當火災現場有煤氣等可燃氣體進入到傳感器內接觸到鉑絲就會形成氧化反應，鉑絲在受熱狀態下表面溫度迅速升高，其電阻就會發生變化，可燃氣體的濃度越高反應越劇烈，溫度升高速度越快，電阻增大也越快。第120 頁圖2 所示的電路圖是當檢測到可燃氣體時鉑絲電阻發生變化情況通過電信號的形式表達出來。

圖2 電阻變化轉換為電信號的工作電路圖

3）機器視覺測距。消防機器人安裝有激光測距傳感器，能夠精準測量目標物體的尺寸以及機器人與目標物體之間的距離，從而更快確定著火點。激光測距的原理是利用了光的傳播速度，光的傳播速度是一定的，只需要測量激光束從傳感器上發出到返回的時間即可計算出距離[2]。計算公式為

式中：d 為機器人與目標物體之間的距離；c 為激光傳播的速度；t 為激光束往返的時間。

由于火災現場環境復雜，存在許多危險因素，為了保證消防機器人的安全，還需要在機器人上安裝毫米波雷達，能夠實時監控機器人周圍環境，當有障礙物或者有物體墜落時能夠及時避開。

為保證機器人拍攝的圖像更加清晰，濾除掉圖像中的多余噪點，可采用均值濾波加高斯濾波的方式，這樣能夠去除圖像中大部分的噪點。均值濾波是一種典型的線性濾波算法，以拍攝目標為中心取9 個像素點數值計算平均值，然后替換目標像素點的數值。但均值濾波也存在不足，在圖像去噪的時候也對圖像本身造成一定的破壞，導致圖像清晰度差。而高斯濾波則是一種線性平滑濾波算法，可有效去除高斯濾波噪點，具體做法是用一個模板掃描圖像中的所有像素，用模板確定的鄰域內像素的加權平均灰度值去替代模板中心像素點的值。二維分布公式為

式中：x2與y2為圖像中鄰域內其他像素點與中心像素點之間的距離；σ2為方差。

4）火場中貴重物品的搶救。當火災發生后被困人員應在第一時間考慮如何快速逃生，但現實中人們往往想到的是如何快速搶救自己的貴重物品，最終導致自己身陷火海。在使用了消防機器人后可以幫助人們快速搜尋火場中的貴重物品并完成搶救。消防機器人通過自身的溫度傳感器監測到火場內環境的溫度以及物體的溫度，通過高清攝像頭獲取到清晰的圖像，通過分析物體大小尺寸判斷機器人的機械手臂能否拿起。完成這一系列操作后消防救援機器人可以進入火場中，在繞開危險區域以及躲避高處墜物后找到需要搶救的貴重物品并成功帶出。這樣既減少受災人員的經濟損失，又保障了被困人員與消防人員的生命安全[3]。

5）火場排煙控制災情。有些場所發生火災后會產生大量煙霧，比如隧道、地下建筑等場所。煙霧中含有大量有毒有害氣體，會造成大量人員傷亡，并且能見度過低也會影響消防人員的救援行動。消防排煙機器人可以通過外設高壓水驅動馬達帶動風扇高速旋轉，將著火點周圍的煙霧快速吹散，高壓水經過風扇后還起到了霧化的效果，既可以起到降溫的作用，還能夠洗滌煙霧減少毒氣的生成，從而有效控制和減弱災情。

2.2 消防無人機

現階段我國已經有很多地區的消防部門使用了消防無人機，用于火場偵查、目標搜索、拋投救援物資、通信中繼等，在消防救援工作中發揮著非常重要的作用。無人機的機身全部采用了高強度、高模量的碳纖維材料，具有耐高溫、抗摩擦、導熱好、耐腐蝕、體量輕等優良性能，安裝了防火等級較高的動力系統，搭配云數字平臺、GPS 定位系統、高清攝像頭。消防部門利用無人機可以實現高空火情偵查、精確定位、空中消防滅火、特殊環境下的搜救等任務，尤其是高層建筑滅火救援、有毒有害環境偵查與搜救等，圖3 為無人機火場偵查流程圖。消防部門可同時出動消防無人機和消防機器人，兩者相互配合，形成空中與地面協同的立體式消防作戰體系。

圖3 無人機火場偵查流程圖

消防無人機的具體應用主要包括以下幾個方面[4]。

1）監控火勢的發展。當野外或森林發生火災后在風的影響下火勢會向著不可預知的方向蔓延，搭載了熱成像儀與高清攝像頭的無人機可以在高空進行觀察，不會受到濃煙的影響，快速識別與定位，減少煙霧與熱量對消防隊員帶來的風險。

2）實現快速滅火。在確定火災著火點、火勢發展方向后，無人機可以搭載干粉滅火罐、水龍帶、專用滅火彈等裝備，不受復雜地形的影響，與地面消防人員配合，實現高空與低空的立體化作業，快速撲滅大火。

3）完成快速搜救。當前危險發生后被困人員會遇到各種不可預知的風險，比如在野外會受到低溫、跌落、動物侵襲等，救援人員也會受到地形、天氣等環境因素的影響。消防無人機無懼地形、天氣因素的影響，使搜救工作更快捷、更安全，通過搭載的傳感器實現快速識別、定位，還可以實現向偏遠地帶輸送醫療物資等[5]。

2.3 智能煙火識別

目前在預防火災方面智能煙火識別系統發揮了非常重要的作用，當智能視頻分析系統監測到環境內發生煙霧、火苗時就會快速進行識別與分析，并及時發出警報，同時將獲取的報警信息、視頻以及視頻截圖存儲在數據庫中或者上傳到云端，以備查驗。工作人員可以隨時獲取并查看報警記錄與報警視頻，做出相應的處理措施。

在智能煙火識別系統中，通過安裝的智能視頻監控系統對監控區域內產生的濃煙、煙火等現象進行識別，通過智能分析與人工智能算法進行有效識別，對于復雜狀況下的識別率可以達到80%，利用智能監控攝像頭就可以準確識別，并不再需要其他類型的傳感設備。

在智能煙火識別系統中運用了無線通信技術，當前5G 技術的快速發展對智能煙火識別系統起到了助推作用，尤其是當前林業部門的護林防火，逐步推進智能監控系統的建設與布局。目前我國已經有很多省份的林業站已經建立了無線網絡遠程高清視頻監控系統，可有效降低森林火災發生的概率，對于大面積的森林，也可以通過在高處搭建監控球機來實現全天候防火監控。智能視頻煙火識別系統可以24 小時無人不間斷進行識別分析，針對異常情況及時報警，節約了大量人力、物力，提高了工作效率，實現了防火防災的智能化管理[6]。

3 結束語

綜上所述，人工智能技術的應用大大提高了消防裝備的實戰能力，消防人員通過消防機器人、消防無人機可以及時有效地應對各種復雜的情況，為快速制定救援方案提供參考。消防機器人、消防無人機能夠快速定位著火點、快速排煙、判斷火勢發展、快速定位受困人員、完成貴重物品的搶救、實現快速滅火等，成為消防救援行動的第一大助力。相信隨著人工智能技術的發展，將有更多先進技術被應用到消防裝備當中，大幅度提高消防救援的安全性與可靠性，減少救援物資的消耗。