一種自動化巡防的消防機器人系統設計

曹志杰

中國恩菲工程技術有限公司 北京 100038

0 引言

因建筑和企業生產的特殊性，存在化學危險品和放射性物質泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌的事故隱患，隨著社會經濟的迅猛發展，對化學危險品和放射性物質的工業需求也同步增加，事故發生的風險也逐年提高。一旦發生災害事故，消防員面對高溫、黑暗、有毒、濃煙等危害環境時，若沒有相應的設備貿然沖進現場，不僅不能完成滅火任務，還會造成人員傷亡。消防機器人作為特種機器人的一種，在滅火和搶險救援中發揮著愈加重要的作用。

當前各種大型石油化工企業、隧道、地鐵等不斷增多，油品燃氣、毒氣泄漏爆炸、隧道塌方等災害隱患不斷增加。此類災害具有突發性強、處置過程復雜、危害巨大、防治困難等特點。消防機器人能代替消防救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災害事故現場進行數據采集、處理、反饋，有效地解決消防人員在上述場所面臨的人身安全、數據信息采集不足等問題。現場指揮人員可以根據其反饋結果，及時對災情進行科學判斷，并對災害事故現場工作作出正確、合理的決策。

在大型的工廠、倉庫、商場、學校、醫院、賓館等人流和物料較密集的地方都需要配置消防設施。常見的消防設施有滅火器、消防栓、泡沫滅火系統、消防斧、火災探測器、自動噴淋裝置等，其中大部分消防設施屬于火災發生后人工滅火的工具。火災探測器是用來檢測火災的傳感器，通過報警通知進行滅火；自動噴淋裝置是通過煙感、溫度等傳感器檢測到火情后，自動噴水進行局部滅火的裝置。然而，某些場合不適合用水噴淋滅火，一些大型的商場、工廠、平面倉庫、立體倉庫等場所堆積的貨物較密集，一旦出現火災，固定位置的噴淋裝置和人工消防栓無法到達著火點，需要有一種可以在火情初期微小火苗的情況下，精準對著火點進行滅火的裝置和方法，在火災前期以最小的代價，把火災控制在最小范圍進行滅火。本文設置了一種在空中軌道懸掛行駛、可以自動巡防的滅火機器人裝置，通過視頻識別和溫度遠程檢測的方式自動尋找著火點，使用控制算法自動調整攜帶的干粉滅火炮噴射角度和覆蓋范圍，自動噴射干粉進行滅火，同時啟動火警，在火災初期進行控制和滅火。

自動巡防消防機器人比傳統的定點消防、人工操作滅火能更及時的發現火情，從被動救火轉變為主動尋找和預防，通過智能機器人裝置實現滅火。

1 自動巡防滅火系統組成

1.1 自動滅火機器人裝置

如圖1 所示，自動滅火機器人裝置主要由干粉消防炮、紅外溫度探測器、攝像頭、回轉支撐機構、伸縮機構、旋轉馬達等組成。其中干粉消防炮用于定點噴射干粉滅火，紅外溫度探測器用來檢測視角范圍內的高溫著火點，攝像頭用于對著火點進行圖像識別，回轉支撐機構用于實現消防炮360°旋轉，伸縮機構是由三級液壓缸組成（見圖2），實現消防炮的升降，旋轉馬達實現消防炮俯仰角度的調整。

圖1 自動巡防滅火裝置

圖2 三級伸縮機構示意圖

該種自動巡防滅火機器人裝置是一種攜帶消防炮、沿著設定的封閉軌道進行自動巡防的智能系統。自動化巡防機器人裝置的消防炮的懸掛結構類似于一種云臺設施，有4 個自由度的角度和方向調整，設備可以沿著軌道前進、后退，消防炮支架可以自由伸縮、旋轉、俯仰，可以根據著火點自動調節角度，在巡防消防機器人行駛范圍內，可以覆蓋更大的檢測范圍。

自動巡防滅火機器人裝置中的運行輪用于在懸掛軌道上行駛，攜帶自動滅火裝置沿著既定的軌道進行定期巡防，通過攝像頭可把現場的巡防畫面數據實時回傳到集控中心進行展示和存儲；同時與現場的火警報警系統聯動，一旦發現火情，自動滅火的同時還會觸發火警。滅火裝置中的消防炮是一種干粉滅火器，通過電子觸發自動噴射干粉，瞬間隔絕火焰周圍的空氣，在缺氧的狀態下實現滅火。紅外溫度傳感器用于遠程檢測一定范圍內的溫度分布點位，判斷是否存在著火點。在消防炮下方吊掛的高清攝像頭與消防炮噴射方向一致，是一種瞄準器，當紅外傳感器檢測到著火點后，滅火裝置的控制器會自動調整攝像頭角度對準著火點進行圖像識別，2次確認著火點位置，通過圖像識別的AI 算法，準確計算獲得著火點坐標和著火范圍，進一步模擬出噴射干粉的路徑正好覆蓋著火點，隨即調整消防炮的噴嘴對準著火點，沿著模擬路徑進行噴射干粉滅火。

1.2 自動巡防消防機器人軌道

自動巡防消防機器人的軌道可以設置在巡防范圍的頂部，通過懸掛的方式進行鋪設，也可以在巡防范圍的墻壁懸臂吊裝方式安裝。根據需要和巡防范圍，設置不同的軌道類型，可以平面鋪設、立體鋪設、平立結合鋪設或設置分支軌道進行多種形狀軌道組合連接。根據危險點位的分布情況，對軌道進行合理布置，盡量覆蓋絕大部分危險點區域。在巡防軌道上可以根據消防需要，設置單臺、多臺巡防滅火機器人，在軌道上進行集群控制和管理，當發現著火點1 臺滅火裝置不能完成滅火時，系統會自動調配第2 臺、第3 臺，直至著火點進行多角度噴射干粉后著火點熄滅或得到控制，再輔助人工遠程操作巡防消防機器人完成徹底滅火。軌道形式如圖3 所示。

圖3 自動巡防滅火裝置軌道示意圖

巡檢滅火機器人裝置采用軌道供電或自動可充電電池供電，實現24 h 持續沿指定軌道運行；軌道裝有條碼尺或條碼帶，可以實時獲得任意一臺巡檢滅火裝置的當前位置值；各巡檢滅火機器人裝置通過工業無線網或5G 網絡實現無線通訊，可以實時把巡檢到的傳感器數據、視頻數據傳遞給中控室，進行大屏展示、信息記錄和追溯。

2 干粉消防炮裝置

2.1 結構

干粉消防炮裝置的主要組成如圖4 所示，金屬殼體內部充滿了滅火粉末，通過2 個電子點火器和冷氣源進行觸發。在殼體的一端設置定向噴嘴，噴嘴的出孔由膜片覆蓋。在殼體尾部裝有接地夾具。在殼體的兩側有4組伸出的軸用于固定旋轉支架，通過旋轉電動機實現自動化滅火裝置噴嘴的角度調節。

圖4 干粉消防炮裝置結構

干粉消防炮裝置由電流脈沖觸發，電脈沖通過軟件程序發出的信號啟動裝置觸發或通過遠程遙控開關人工啟動。在電脈沖到達電點燃器后，冷氣源產生氣體使滅火粉末膨脹，裝置殼體內部壓力增大，從而使膜片被沖開，滅火干粉經過噴射口噴射到著火區域，隔絕火源與空氣的接觸，以達到滅火的效果。

2.2 巡防消防機器人的控制

由于每臺自動巡防消防機器人裝備為一次性噴射裝置，每使用完一次或在一定時間內沒有使用，則需要沿軌道運行到檢修區重新填裝干粉，確保干粉填裝料噴射的可靠性。同時需要對電子點火裝置進行檢測，確保供電線路的靈敏可靠；對攝像頭、溫度傳感器進行校驗，確保定位的準確性；對驅動機構進行維護，確保角度調整的靈活性。

自動巡防消防機器人裝置常規情況下，可以自行沿著既定的軌道進行巡防，為中控室實時提供巡防的傳感器信息和圖像音視頻信息。在特殊情況下，如自動控制失靈，還可以根據攝像頭實時影像，通過人工遠程操控消防機器人裝置手動對準著火點進行滅火。

圖5 為自動巡防消防機器人系統的控制總圖，主控室內通過無線網絡與各臺巡防消防機器人裝置組成自動巡防滅火系統。主控室控制柜與監控大屏、人機交互系統、報警系統、數據庫管理系統組成主要的控制設備；各自動巡防消防機器人裝置自帶控制器，內置圖像識別AI 算法，自動識別著火點，一旦某臺巡防消防機器人發現了著火點，其他巡防機器人會通過無線網接收主控系統發送的調度命令驅動巡防消防機器人裝置按順序移動到著火點，逐臺進行對準、調整角度、觸發后噴射干粉滅火，同時把當前巡檢到的各項傳感器信息傳遞給中控室，進行信息處理和存儲，在監控大屏對巡防區域內的實時狀態進行展示。當發現火情時，預警的同時還會觸發火災報警系統。人機交互系統可以遠程對各臺巡防滅火裝置進行遙控操作、設備的啟停、維護測試操作、監視到當前巡防機器人的運行狀態參數、是否需要更換干粉等。

圖5 自動巡防滅火系統的控制總圖

2.3 攝像頭測距原理

主動測距只采用傳感器、攝像機、雷達等傳感器進行測距，攝像頭價格低廉且性能穩定，應用廣泛。單攝像頭測距又分單目測距和雙目測距，由于雙目測距的需要處理的數據量大、成本高、難度大，故采用計算量小、速度快、性價比高、系統結構相對簡單的單目測距方法較多。單目視覺測距技術只采用一個攝像機，就能一定程度上獲得圖像中目標的深度、高度、距離等信息。

自動巡防滅火系統安裝的攝像頭采用單目測距的方法定位著火點。單目攝像頭的模型可以近似考慮為針孔成像模型，如圖6 所示。

圖6 單目測距原理圖

根據三角形關系，可以獲得

根據已知的相機焦距、實際物體的寬度，成像獲得的物體的寬度，可以計算出相機距離目標物體的距離

式中：d為物體與相機間的實際距離，f為焦距，W為目標物體的實際寬度，w為成像后的寬度。

2.4 單目測距算法程序分析

若想要獲得真實世界中某個點位的位置信息，需要把攝像頭捕捉到的二維平面圖像中的像素坐標系、圖像坐標系、相機坐標系、以及世界坐標系之間進行轉換。程序編寫和測試步驟為：1）標定得出攝像頭的焦距；2）對檢測到的物體圖片進行高斯濾波處理（平滑操作，過濾操作，去噪操作）；3）邊緣檢測；4）畫出檢測出物體的輪廓并返回最小的外接矩形（可以設置畫出全部輪廓或者是最大的輪廓）；5）計算攝像頭到被測物體的距離；

圖片的逐幀連續播放形成視頻，檢測時檢測攝像頭只需將攝像頭獲取到的畫面逐幀分析，等同于對照片分析。例如獲取攝像頭焦距、計算距離的程序，首先通過相機獲得焦距，然后計算相機與目標之間的距離，在監控界面顯示檢測到距離，同時為巡防機器人的姿態調整，提供位置信息。

3 巡防消防機器人裝置調度管理流程

通常情況下，巡防滅火裝置啟動后會排著隊間隔一定距離沿著固定軌道一直向前循環行駛，攝像頭和紅外測溫傳感器所覆蓋的范圍按照調整好的檢測范圍角度固定照射。在巡防的過程中，一旦某臺巡防消防機器人的視野內發現著火點，則控制器會調整攝像頭和紅外傳感器對準著火點，讓著火點進入到視野范圍的正中間，通過AI 算法自動計算出著火點坐標，調整巡防滅火裝置的噴嘴以最佳角度對準著火點開始噴射干粉，同時觸發控制室火警信號。每一臺噴完干粉后，再次檢測著火點是否還有火源，通知給中控中心，調度下一臺巡防機器人進入到著火點覆蓋范圍，調整噴嘴進行滅火。同時，當前噴完干粉的巡防機器人返回到維修點自動裝干粉。多臺巡防消防滅火機器人進行聯合作業，在著火點的早期失火范圍都不大，一般情況下都會實現自動滅火，若配置的多臺滅火裝置全部調度完成噴射干粉進行滅火，也能夠在火災的初始階段控制著火點的蔓延，為下一步人工進行滅火提供了寶貴的時間，還能把當前著火點的最初原因和狀態視頻、聲音信發到中控中心，為火災原因調查提供最直接的證據，為預防同樣的情況再次發生，降低當前原因火災發生的風險。

在特殊情況下，如高層貨架、高層堆疊貨物的某些著火點無法人工及時到達，可以把巡防消防機器人的消防炮重新裝滿干粉后，通過人工快速遠程操作滅火機器人裝置到達著火點，手動旋轉電動機、伸縮機構，精準快速對準著火點，遠程啟動噴射干粉進行滅火，達到快速滅火的效果。巡防滅火裝置的使用流程如圖7所示。

圖7 巡防滅火裝置使用流程

4 消防機器人參數

此種巡防自動滅火裝置適用于撲滅A 級火災（固體）、B 級火災（液體）、C 級火災（氣態物體）和E級火災（帶電的電器設備），不適用撲滅無需空氣助燃的火災；局部起火、場地內面積和體積的火災滅火效果最優，干粉消防炮的干粉填裝容積為24 L；機器人長度不大于700 mm，寬度不大于400 mm，高度不大于600 mm，總質量不大于86 kg，滅火劑質量為22 kg；從執行脈沖傳到模塊的啟動元件時刻起直到滅火粉末從模塊噴射出的啟動時間為5 ～10 s，噴射持續時間不超過1 s，工作壓力為1.8±0.05 MPa；裝置對A 級火的保護面積S為360 m2，對B 級火的保護面積S為 51 m2，對A級火的保護體積V為180 m3；用于露天或室內局部滅火時，裝置安裝在距離地面1 m 的高度，且噴嘴到保護面積中心的距離為12 ～18 m 時，對于A、B、C、E 級火的保護面積S為15.8 m2；電點燃器的電路包含2 個點燃器元件，5 min 內電路測試的安全電流不大于0.15 A，啟動電流不小于1.0 A，電源的電壓不大于24 V；裝置采用交流36 V 軌道供電模式，功率0.75 kW，干粉裝置外殼可充裝大于100 次。

5 結語

懸掛軌道式自動巡防的滅火裝置是目前固定式消防設施的有益補充，從傳動的被動滅火轉變為自動尋找著火點，在火災蔓延前控制火情。隨著目前機器人技術的發展，對于文中所述的巡防機器人亦可以配置地面行駛的自動巡防機器人、空中飛行的無人機巡防機器人攜帶滅火裝置進行輔助滅火，實現立體滅火的消防網，減少人工的參與，使用智能裝備提高消防設施的智能化程度，實現消防減災。