基于5G技術的移動消防機器人遠程監控系統設計

摘要：在復雜環境的災害作業現場，移動消防機器人所搭載的遠程監控系統成為操作人員與機器人之間交互的主要平臺。傳統的遠程監控系統存在控制響應不及時、機器人作業狀態難以實時監控以及環境感知信息回傳難等挑戰。為此，提出利用5G技術的超高可靠低時延通信技術，構建5G通信模型，保障機器人車載控制系統與遠程操控系統之間實現實時、高效的通信。設計了基于MVC模型的遠程監控系統總框架，形成移動消防機器人的遠程監控系統內部閉環，基于模塊化的設計原則，設計了遠程監控系統的功能模塊，確保移動消防機器人與操控人員的無障礙交互。

關鍵詞：5G技術；移動消防機器人；遠程監控系統

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0038-03

隨著災害作業現場的環境愈加復雜，消防救援工作面臨著巨大挑戰[1]。在救援行動中使用消防機器人，不僅可以提高救援效率，還能確保救援行動的合理性和科學性[2]。移動消防機器人可以代替人類進入復雜環境的災害現場，最大限度地減少救援人員的傷亡，降低事故造成的經濟損失[3]。移動消防機器人屬于特種作業機器人，在執行任務時需要脫離操作人員獨立前往災害現場，必須依靠遠程監控系統來執行相關的作業任務。5G作為新一代移動通信技術，具有超高速、超低延遲、大連接等特點[4]，利用5G技術，能夠實現移動消防機器人車載控制系統與遠程監控系統的超可靠低延遲通信，有效解決移動消防機器人在作業現場出現控制指令響應不及時、作業狀態無法實時監控及作業環境感知信息不可視等問題。因此，操作人員可實時操控機器人，掌握其作業狀態及災害現場情況，進一步提高移動消防機器人的作業可靠性和效率，最大程度發揮移動消防機器人的作用，實現高效救援。

1 5G技術基本原理

5G是第五代移動通信技術的簡稱，是新一代蜂窩移動通信技術。5G技術是毫米波技術、多輸入多輸出技術、波束賦形技術、網絡功能虛擬化技術、軟件定義網絡技術等技術的綜合體，用來提供更快速、更穩定、更高效的數據傳輸和通信服務。5G技術中的NFV和SDN技術可以使網絡更加靈活和可編程，滿足不同應用場景和需求。

國際電信聯盟定義了5G的三大類應用場景，即增強移動寬帶、超高可靠低時延通信和海量機器類通信。增強移動寬帶主要面向移動互聯網流量爆炸式增長，為移動互聯網用戶提供更加極致的應用體驗；超高可靠低時延通信主要面向工業控制、遠程醫療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業；海量機器類通信主要面向智慧城市、智能家居、環境監測等以傳感和數據采集為目標的應用需求[5]。

2 移動消防機器人遠程監控系統總框架設計

2.1 移動消防機器人概述

消防機器人是特種機器人的一種，在滅火和搶險救援中發揮重要的作用[6]。與傳統的滅火設備相比，移動消防機器人具有較強的機動性、智能化和遠程控制能力，能夠在危險復雜環境中有效地執行各類任務，可代替救援人員進入火災、有毒有害、易燃易爆等各種危險災害事故現場，進行救援、災害現場情況勘查等，可以大大降低救援人員的傷亡風險。

移動消防機器人一般由傳感器系統、執行器系統、控制系統以及通信系統等多個系統組成，可實現行走、環境監測與數據傳輸、火源檢測與定位、自動滅火、障礙物識別與避讓、遠程操控與自主決策等主要功能。

2.2 遠程監控系統總框架設計

目前，大部分消防機器人采用無線遙控技術傳輸視頻及控制信號，操控員通過操作遙控器來控制消防機器人在現場執行救援工作，并通過視頻圖像實時反饋現場情況。由于無線遙控技術存在抗干擾能力差的問題，如像頻干擾、組合頻率干擾和中頻干擾等，特別是在環境復雜的救援現場，可能會出現遙控信號不穩定的情況。

運用5G技術的遠程控制系統是操作人員與移動消防機器人交互的平臺，操作人員可以通過遠程監控系統查看移動消防機器人回傳信息及狀態，也可以通過系統給機器人發送指令。控制系統的開發遵循模型—視圖—控制器（MVC）架構，即模型（Model）、視圖（View）和控制器（Controller），模型是整個程序的核心部分，負責管理數據和業務邏輯，直接與數據庫交互，檢索數據并處理前端的命令。視圖部分是系統和外界的接口，承擔人機交互的作用，控制器部分則是前兩者的紐帶，承擔翻譯工作，見圖1，MVC架構中人機交互流程形成一個完整的閉環，操作人員輸入操作指令給控制器，經控制器處理后，將輸入信息傳遞給模型做分析判斷，模型和數據庫之間進行數據的交互，數據庫負責信息的存儲，經模型輸出后，根據實際需求選擇合適的視圖進行展示，同時用戶得到軟件視圖的信息反饋。

基于MVC架構的移動消防機器人遠程監控系統總體框架設計，整個機器人遠程監控系統一共分為三個部分：第一部分為機器人數據采集端；第二部分為5G移動網絡通信；第三部分為用戶操作可視交互端，即用戶界面端，實現了端到端的設計。

機器人數據采集端：數據采集端主要通過各種傳感器，采集移動消防機器人的作業狀態及必要的反饋信息；攝像頭等圖像信息采集傳感器，主要采集災害現場的實況信息并回傳，操作人員可及時掌握現場的情況。

5G移動網絡通信：機器人數據采集端，采集到的各種信號及圖像通過5G網絡實時傳輸給操作人員端的遠程監控系統，操作人員可以通過用戶界面端，進行的各種操作和查看各種回傳信息，5G網絡主要作用是建立起機器人端和操作人員的連接紐帶。

用戶界面端：用戶界面端是一個移動的可視化人機交互界面，操作人員可以通過用戶界面對移動消防機器人下執行指令，查看機器人的作業狀態，了解作業現場的情況以及進行移動消防機器人實現報警、簡單故障診斷、異常處理等功能。

3 移動消防機器的遠程監控系統設計

3.1 移動消防機器的遠程監控系統5G通信模型設計

移動消防機器人作業過程中，作業環境復雜，對通信時延、可靠性、可用性都提出了嚴格的要求。超高可靠性和低時延通信（URLLC）的應用場景變化范圍非常大，端到端時延從幾毫秒到幾百毫秒，可靠性從兩個九到六個九，吞吐率從幾千到幾百兆字節每秒[7]。URLLC實際上是一種網絡切片技術，網絡切片可實現在同一個物理網絡上構建端到端、按需定制和安全隔離的邏輯網絡[8]。針對URLLC業務，考慮成本與組網復雜度，選非獨立組網（NSA）或獨立組網（SA）架構下進行URLLC部署。

整個網絡構架由兩個部分組成，分別為移動機器端和遠程監控系統端，兩端通過5G-DTU進行網絡連接，并通過5G-DTU平臺進行數據交換。系統有兩大數據流，即圖像視頻信號數據流和控制數據流。網絡通信模型見圖2。

3.2 移動消防機器的遠程監控系統方案設計

移動消防機器人的遠程監控系統是移動機器人控制系統的重要組成部分，用于協助整個機器人系統完成功能指標。在進行遠程監控系統的總體框架設計時引入模塊的設計原則，在遠程監控系統的模型方案設計過程中依然采用模塊的設計原則，設計了移動消防機器人遠程監控系統方案，見圖3。

由圖3可知，移動消防機器人遠程監控系統劃分為兩個大的模塊，一個是用戶操作模塊；另一個是信息反饋模塊。用戶操作模塊，用來實現用戶對機器人本體、搭載平臺及攝像頭指令的發送和參數的設置，用戶可以通過操作界面上的按鈕和輸入框來實現移動消防機器人操控和參數設置；信息反饋模塊，用來顯示機器人回傳圖像和機器人狀態數據，用戶可以實時查看機器人在現場傳回來的信息。

3.3 移動消防機器的遠程監控系統模塊化設計

移動消防機器人的遠程監控系統需要實現遠程控制、遠程定位和遠程視頻監控三個主要功能，按照模塊的設計原則及消防機器人的功能進行分區設置，見圖4。

可視窗口：由5個實時的信息顯示區域組成，主要用來實時顯示信息。實時圖像，顯示搭載在機器人底盤攝像頭實時回傳的現場圖像畫面，可通過此畫面了解現場實況。實時三維重建圖像，顯示搭載在機器人上的三維激光采集的點云，重建的三維模型可以讓操作人員更好地掌握災害現場的立體空間信息。地圖導航定位，需要結合第三方地圖使用，實時顯示機器人在大的空間的位置信息。傳感器信息，實時顯示機器人上布置的傳感器狀態信息和采集信息。報警及提示信息，機器人是一個高度集成的智能化裝備，在操作的過程中會有一些確認信息、提示信息和報警信息，在操作界面的最上面有個專用區域進行顯示。

操作控制：主要用來實現機器人的各種控制指令的下達。機器人運動控制主要用于在手動模式下，實現機器的前進、后退、轉彎等基本運動操作控制。平臺運動控制，主要用于實現消防炮的操作控制。攝像頭運動控制，在災害現場需要多角度觀察，攝像頭360°旋轉及俯仰運動的控制。基本操作，消防機器的開關機、復位、急停等一些常規操作。

功能設置：模式切換，主要用于實現手動、自動、檢修等機器運行模式的切換。參數設置，機器人在不同的工作模式和工作場景需要使用的參數不一樣，例如在去往現場的途中要求速度快且平穩，可以通過參數設置，實現機器人運行速度倍率的設置。遠程診斷，一是方便操作人員在現場排除簡單故障，二是可以實時和廠家溝通，通過遠程來解決一些軟件問題。

4 結束語

新一代信息技術5G的引入，為移動消防機器人遠程監控系統帶來了革新，它能有效解決傳統通信方式下存在的網絡延時高、抗干擾能力差等問題，從而避免控制響應不及時、機器人作業狀態無法監控、環境感知信息回傳難等問題。基于MVC構架設計的遠程監控系統總框架，結合5G通信模型，制定了移動消防機器人的遠程監控系統方案，并細化了遠程監控功能模塊的設計，推動移動消防機器人走向實際應用，期望通過遠程監控系統的實現，能夠提升移動消防機器人在救援過程中的作用。

參考文獻

[1]劉杰.消防滅火機器人及配套裝備技術分析[J].水上安全，2024（10）：1-3.

[2]羅大蔚.消防機器人在滅火救援中的應用價值及其優化應用[J].今日消防，2023，8（11）：29-31.

[3]張碩.形態可重構消防偵查機器人創新設計與軌跡跟蹤控制研究[D].秦皇島：燕山大學，2023.

[4]劉湘黔.5G背景下基于工業物聯網的工業機器人遠程監控系統設計[J].無線互聯科技，2023，20（12）：47-49.

[5]韓子媛，王莉.5G移動通信與物聯網技術在電力系統中的應用[J].數字技術與應用，2022，40（2）：51-53.

[6]聶東東.消防機器人滅火救援應用技術分析[J].大眾標準化，2023（2）：153-155.

[7]李靜，董秋麗，廖敏.URLLC應用場景及未來發展研究[J].移動通信，2020，44（2）：20-24+29.

[8]倪泓鑫，吳冬升.車聯網邊緣計算的技術趨勢[J].自動化博覽，2024，41（2）：21-23.