消防滅火機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及展望綜述

尹海陽 龍小玉 肖颯 付天宇

摘要：隨著國內(nèi)倉儲行業(yè)自動化、智能化、無人化的發(fā)展，消防安全問題成為無人化倉儲亟待解決的問題之一，為早日建成無人化倉儲，消防機器人在這一領(lǐng)域的應(yīng)用越來越迫切。從消防滅火機器人的發(fā)展情況、結(jié)構(gòu)組成、導(dǎo)航方式及智能化發(fā)展現(xiàn)狀四方面進行介紹，并對消防滅火機器人存在的問題和發(fā)展趨勢進行了探索。

關(guān)鍵詞：消防滅火機器人；發(fā)展現(xiàn)狀；存在問題；發(fā)展趨勢

中圖分類號：D631.6? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）01-0016-04

消防控制機器人屬于防爆移動智能機器人的范疇，根據(jù)其功能的不同可劃分為消防滅火機器人、消防排煙機器人、消防防爆機器人、消防救援服務(wù)機器人及消防無人機等。由于消防滅火機器人同時具備監(jiān)測和滅火功能，可被用于倉儲行業(yè)，實現(xiàn)真正意義上的無人智能化倉儲，它可沿既定路徑進行運動，同時根據(jù)指令實時修正運動路徑，以實現(xiàn)指定位置的消防滅火功能，進而使無人化倉儲的消防安全得到保證。

1 消防滅火機器人的發(fā)展概況

美國和蘇聯(lián)是世界上最早開展消防機器人研究的國家，隨后英國、日本、法國、德國等國家也相繼開始對該技術(shù)進行研究。我國消防機器人的發(fā)展緊隨其后，第一臺消防滅火機器人于1995年由公安部上海消防科學(xué)研究所制造成功。2002年，公安部上海消防科學(xué)研究所、上海交通大學(xué)及上海市消防局共同承擔了國家863工程，最終研制出了履帶式、輪式滅火機器人，該消防機器人具有行走、攀爬、跨越障礙物、滅火和探測火場等功能。隨著消防機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，消防機器人企業(yè)相繼成立，消防機器人產(chǎn)品逐漸進入市場，中國消防機器人技術(shù)行業(yè)從早期探索研究階段逐步邁入初步發(fā)展階段。

消防機器人問世以來經(jīng)過四十多年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)日趨完善，目前我國也有大批高校和科研單位從事消防機器人研究工作，且國內(nèi)一些有實力的企業(yè)也有能力研發(fā)生產(chǎn)消防機器人。現(xiàn)在的消防滅火機器人不光具備滅火功能，還可以進行探測、除塵及信息傳遞 [1]。

2 消防滅火機器人的結(jié)構(gòu)

消防機器人的結(jié)構(gòu)從整體上來說分為本體系統(tǒng)、移動系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)，在滅火過程中每個系統(tǒng)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。移動系統(tǒng)通常由控制系統(tǒng)和行走系統(tǒng)構(gòu)成，可以通過對消防環(huán)境的分析計算出最佳的消防路徑，使消防機器人最快到達火災(zāi)現(xiàn)場。滅火系統(tǒng)一般采用自動噴水或高壓氣體發(fā)射滅火彈的手段實現(xiàn)快速滅火救援的目的[2]。

2.1? 本體系統(tǒng)

消防滅火機器人通常需要具備防爆功能，其本體系統(tǒng)多數(shù)情況下采用耐高溫、防爆防水及低重心設(shè)計，它是消防滅火機器人的基礎(chǔ)構(gòu)成之一，是其他系統(tǒng)總成安裝的基礎(chǔ)。本體系統(tǒng)主要指消防滅火機器人的本體框架，一般需由高密度、高熔點的金屬組成以保證載體承重和耐久程度，并滿足消防工況工作需要。

2.2? 行走系統(tǒng)

消防滅火機器人的行走系統(tǒng)通常分為兩種，一種是車輪式行走系統(tǒng)，另一種是履帶式行走系統(tǒng)，主要由移動載體和驅(qū)動系統(tǒng)組成。移動控制系統(tǒng)發(fā)出命令，驅(qū)動系統(tǒng)接收命令，從而使消防滅火機器人通過移動載體沿確定的軌跡和速度到達指定的目標點進行滅火作業(yè)。消防滅火機器人的行走系統(tǒng)需具備移動速度快、機動性強的特點，近年來出現(xiàn)的麥克納姆倫極大地提高了消防滅火機器人的環(huán)境適應(yīng)性、機動性及消防作業(yè)的快速性。

2.3? 控制系統(tǒng)

消防滅火機器人的控制系統(tǒng)包括信息傳輸處理系統(tǒng)和移動控制系統(tǒng)，信息傳輸處理系統(tǒng)包括紅外探測、實時影像采集等系統(tǒng)，保證可在第一時間發(fā)現(xiàn)火情并命令移動控制系統(tǒng)進行工作。移動控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動導(dǎo)航和避障功能，在發(fā)現(xiàn)發(fā)生火情后，移動控制系統(tǒng)使消防機器人可通過局部或全局定位的方式對火災(zāi)現(xiàn)場的火源進行定位，隨后根據(jù)自己的位置進行計算，選擇最佳的路線進行火情處理；自動避障功能主要由傳感器實現(xiàn)，一旦傳感器感應(yīng)到前方有障礙物，移動控制系統(tǒng)就會以最快的速度對障礙物進行評估，進而命令消防滅火機器人進行下一步動作。

2.4? 滅火系統(tǒng)

滅火系統(tǒng)主要有自動噴水或滅火炮彈兩種滅火形式，采用自動噴水的滅火系統(tǒng)一般由噴頭、伸縮桿、水泵和儲水設(shè)備組成，在消防機器人通過控制系統(tǒng)到達火災(zāi)的火源位置時，伸縮桿調(diào)整噴頭位置，使噴頭對準火源進行噴射，水柱大小經(jīng)水泵調(diào)整，使其更快地熄滅火源；采用滅火炮彈的滅火系統(tǒng)通常由彈倉、彈丸發(fā)射裝置及底座構(gòu)成，彈丸發(fā)射裝置使用高壓氣體給彈丸提供動力從發(fā)射管射出，底座上的舵機控制發(fā)射管角度，發(fā)射管中的直流無刷電機帶動摩擦輪轉(zhuǎn)動，使用光電對管檢測在彈艙出口處與發(fā)射管入口處是否存在彈丸，從而控制是否上彈[3]。

3 消防滅火機器人的導(dǎo)航方式

消防滅火機器人要完成滅火作業(yè)，必不可少的就是自動導(dǎo)航功能，消防滅火機器人的導(dǎo)航方式主要有固定方式導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航及融合導(dǎo)航五類，但因環(huán)境適應(yīng)性有部分方式未達到商業(yè)化的程度。

3.1? 固定方式導(dǎo)航

固定方式導(dǎo)航是通過在地面固定消防滅火機器人所需檢測的信號，從而使其沿固定路徑進行運動，其中具備代表的方式大致為磁導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、坐標導(dǎo)航等，因固定導(dǎo)航方式使得消防滅火機器人的機動性和滅火作業(yè)實時性較差，因此在消防機器人的發(fā)展史上過早地被淘汰。

3.2? 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航是利用陀螺儀可以得到消防滅火機器人的三軸角速度和加速度，從而換算成消防滅火機器人當前的坐標和方向，將它們和規(guī)定的路線相比較，對速度值和規(guī)定值的矢量差進行二次積分得到偏差值，進而將其作為糾正行駛方向的依據(jù)。慣性導(dǎo)航定位準確性高，靈活性強，兼容性好，但制造成本相對較高，導(dǎo)引的可靠性直接依賴陀螺儀的可靠性，因此常被用于軍工行業(yè)。而民用時由于采用的陀螺儀可靠性不高，隨著陀螺儀本身使用時間的延長，其誤差會累積，這也導(dǎo)致在民用領(lǐng)域慣性導(dǎo)航往往作為其他導(dǎo)航方法的輔助手段。

3.3? 激光導(dǎo)航

激光導(dǎo)航的原理是消防滅火機器人定位火源后構(gòu)建火源和消防機器人的位置，采用雷達激光掃描以點射方式發(fā)出射線，激光在遇到物體時會反射回來，通過激光反射回來的時間計算出自己位置與物體之間的距離，因此目前多用激光方式進行輪廓導(dǎo)航。該技術(shù)利用二維激光掃描儀測量和學(xué)習(xí)場景環(huán)境（墻壁、柱子以及其他固定物體等），從而繪制導(dǎo)航環(huán)境，進行多次測量分析，對地圖進行修正，根據(jù)場景環(huán)境測量分析結(jié)果實時更新位置，進而實現(xiàn)輪廓導(dǎo)航功能，但該方法對激光傳感器要求較高，且不能適用于高反射率的物體。

3.4? 視覺導(dǎo)航

最開始的視覺導(dǎo)航是通過消防機器人的實時影像傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)火源定位，通過不同角度的圖像和預(yù)留導(dǎo)向標記，不斷傳輸圖像，與自己的位置進行比對，不斷分析和計算直到抵達火源附近，但該導(dǎo)航方式對光線有較嚴格要求。現(xiàn)在通常所說的視覺導(dǎo)航是一種基于SLAM算法的導(dǎo)航方法，它是通過車輛視覺攝像機采集行駛區(qū)域的圖像信息，并通過對圖像信息的處理進行定位和導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航具有靈活性高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，但目前技術(shù)成熟度不高，利用車輛視覺攝像機快速準確進行地標識別技術(shù)仍處于瓶頸階段。

3.5? 融合導(dǎo)航

導(dǎo)航技術(shù)正朝著更高的靈活性、更高的精度和更強的適應(yīng)性方向發(fā)展，對輔助導(dǎo)航標志的依賴性將會越來越小，多傳感器結(jié)合的融合導(dǎo)航方式無疑是未來的發(fā)展趨勢。雖然目前個別消防滅火機器人采用激光和視覺導(dǎo)航相結(jié)合的方式，雙管齊下，彌補了單個導(dǎo)航方式的不足，但消防滅火機器人還是不能完全適用于各個環(huán)境場景。相信在不久的將來，隨著大數(shù)據(jù)、AI、云計算等技術(shù)與機器人更深入的交互融合后，會給消防滅火機器人行業(yè)帶來前所未有的變化，而隨著多學(xué)科的發(fā)展交融，未來消防滅機器人的導(dǎo)航技術(shù)必將更加先進。

4 消防滅火機器人的智能化發(fā)展

隨著美國、日本等國際巨頭消防滅火機器人的發(fā)展，讓我們意識到新制造、新硬件的時代已經(jīng)來臨。我國的消防滅火機器人大多是以程序控制為主要技術(shù)發(fā)展的，所以我國消防機器人智能化發(fā)展空間巨大[4]。縱觀消防滅火機器人發(fā)展史，大致可分為人為控制、半智能化控制及全面智能化控制三個階段。

4.1? 人為控制

人為控制階段主要集中在消防滅火機器人發(fā)展的初期，大都使用遠程手動控制或固定程序控制，消防機器人按照人為指令或編譯的確定程序進行工作，該方式自適應(yīng)能力較低，對現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)測、感應(yīng)能力具有局限性，對火情處理的及時性較差。

4.2? 半智能化

目前我國的消防滅火機器人基本處于半智能化控制的階段，其控制方式主要是通過對傳感器、藍牙等感知技術(shù)的研究，將其應(yīng)用在消防滅火機器人上，使消防滅火機器人具備基本的感知功能，大大提升了消防滅火機器人的自適應(yīng)能力，對火災(zāi)的監(jiān)測和定位更加精準，特別是對傳感器技術(shù)的引入，使消防滅火機器人的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，為消防滅火機器人實現(xiàn)整體智能化奠定了基礎(chǔ)。

4.3? 全面智能化

全面智能化消防滅火機器人將不需要操作員的控制，操作員只需要將本次消防任務(wù)的目標進行設(shè)定，消防滅火機器人即可自動對消防現(xiàn)場進行觀察和分析，在火情發(fā)生初期快速計算分析出最快且損失最小的解決方案并實行，這對于傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子技術(shù)等要求很高，所以我國在致力于發(fā)展消防滅火機器人的同時也未停止對這些技術(shù)的研究和探索。

5 消防滅火機器人存在的問題

雖然消防滅火機器人經(jīng)過近四十年的快速發(fā)展，但其還是存在多種不足和問題，需要科研人員進一步對其進行研究創(chuàng)新。

5.1? 智能化程度低

我國的科技發(fā)展相比于歐洲發(fā)達國家，在傳感器與測量方面技術(shù)還有欠缺，特別是精度問題難以達到標準，以至于我國的機器人發(fā)展在一定程度上稍遜于歐洲發(fā)達國家。人機交互性不夠，消防滅火機器人往往只能對單一影響因素進行分析判斷，不能完全掌握環(huán)境變化的情況，研制出的消防滅火機器人往往只針對某一特定的危險狀況，通用性不強，在惡劣的環(huán)境下很難完全代替消防人員[5]。

5.2? 可靠性不高

國產(chǎn)的零部件在性能、可靠性及使用壽命等多個方面難以達到使用要求，所以，消防滅火機器人使用的關(guān)鍵零部件主要依靠進口，如果損壞需要大量的時間和金錢修復(fù)。同時，消防滅火機器人的保養(yǎng)維護程序較為復(fù)雜，且國內(nèi)生產(chǎn)的廠家沒有統(tǒng)一的標準，質(zhì)量參差不齊。

5.3? 造價高昂

由于消防滅火機器人屬于高等學(xué)科知識和各項先進高新信息技術(shù)的集合體，導(dǎo)致其研制經(jīng)費較高，且生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量相對較少，進而造成市場價格普遍昂貴，無法大量配備至消防隊伍。

6 消防滅火機器人的發(fā)展趨勢

消防滅火機器人離不開科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將先進的技術(shù)融匯于消防滅火機器人，使其不但可以優(yōu)先監(jiān)測到火災(zāi)的每項數(shù)據(jù)，預(yù)測可能發(fā)生的火情，而且可以在極端危險的情況下代替消防人員進行救援，保證了消防人員的生命安全。

6.1? 多傳感器的集成與融合

以運行在未知或動態(tài)環(huán)境中的多傳感器系統(tǒng)作為研究對象，集成與融合的方式將成為研究的熱點。處理不確定信息的數(shù)學(xué)工具也將在研究過程中發(fā)揮重要的作用，例如人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將是繼續(xù)研究的重點，人工智能方面的研究將在傳感器的選擇和自動任務(wù)誤差檢測與恢復(fù)以及模型感知建立等領(lǐng)域發(fā)揮更積極的作用，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會在目標識別和多傳感器控制系統(tǒng)魯棒性設(shè)計兩個領(lǐng)域成為決定性的因素之一。

6.2? 復(fù)雜危險環(huán)境的模型建立與火情預(yù)測

表征因素識別。使用火情過程中可識別的物理或化學(xué)因素，例如火情導(dǎo)致的火焰、煙霧等，分析火災(zāi)引起溫度的變化、空氣中有害氣體濃度的變化，以及火情與相關(guān)因素之間的作用機理，確定關(guān)鍵因素，從而得到復(fù)雜危險環(huán)境的表征因素。

局部模型建立。通過研究各種可識別的環(huán)境表征因素，確定各表征因素對環(huán)境影響的模型，經(jīng)過剖析多類別傳感器對環(huán)境的測量結(jié)果，利用各表征因素對環(huán)境影響模型進行修正，構(gòu)造局部復(fù)雜危險環(huán)境模型。

整體模型建立。通過研究局部、整體兩種復(fù)雜危險環(huán)境之間的相互影響機制，建立局部、整體環(huán)境的基本模型，再融入局部復(fù)雜危險環(huán)境中的表征因素影響，從而建立出整體復(fù)雜危險環(huán)境的模型。

火情預(yù)測。由于環(huán)境的發(fā)展和變化與初始狀態(tài)、引起原因及外界條件息息相關(guān)，根據(jù)已經(jīng)建立的整體環(huán)境模型，分析環(huán)境中表征因素的變化情況，預(yù)測可能發(fā)生的火情。

6.3? 多機器人協(xié)作

由于火災(zāi)的不可控性和多樣性，單一的消防機器人完成多場景下滅火和救援的可能很小，需持續(xù)研究多種消防機器人協(xié)作，以便早日實現(xiàn)機器人消防的愿景[6]，多消防機器人協(xié)同工作目前基本處于理論研究階段。但得益于大數(shù)據(jù)的發(fā)展，多機器人系統(tǒng)的研究也可向前再次邁進，關(guān)于多機器人系統(tǒng)的進一步研究方向主要有：體系結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)制度以及復(fù)雜環(huán)境下多機器人之間的通信、信息傳輸及交互和沖突消除等。

7 結(jié)語

消防滅火機器人是一個綜合性交叉學(xué)科研究項目，主要涉及材料、機械、控制、環(huán)境科學(xué)和安全工程五個學(xué)科。近年來，消防滅火機器人研究快速發(fā)展，特別是在人工智能的研究背景下，我國消防滅火機器人的技術(shù)水平得到了很大的提升，使真正意義上的無人智能化倉儲業(yè)初步具備實現(xiàn)的各種條件，但我們要認識到消防滅火機器人研究中依然存在各種各樣的問題。在無人智能化倉儲的實現(xiàn)中消防滅火機器人的研究也越發(fā)重要，消防滅火機器人的不斷發(fā)展必將為我國倉儲業(yè)的無人智能化發(fā)展提供源源不斷的動力。

參考文獻：

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[5]李明璐，尹藝玲.智能消防車的發(fā)展研究現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù)，2019（6）：225-228.

（下轉(zhuǎn)第24頁）（上接第18頁）

[6]彭小清.消防機器人在我國滅火救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析[J].今日消防，2019，4（12）：18-19.

A review of the development status

and prospect of fire fighting robots

Yin Haiyang， Long Xiaoyu， Xiao Sa， Fu Tianyu

（School of Information Engineering， Xijing University， Shaanxi Xi'an 710123）

Abstract：With the development of automation， intelligence and unmanned in the domestic warehousing industry， fire safety has become one of the urgent problems to be solved in unmanned warehousing. In order to build unmanned warehousing as soon as possible， the application of fire fighting robots in this field is becoming more and more urgent. The paper introduces the development situation， structure composition， navigation method and intelligent development status of fire fighting robots. The existing problems and development trends of fire fighting robots are explored.

Keywords：fire fighting robot; development status; existing problem; development trend