滅火機器人在城市火災救援中的應用

摘要：在城市火災救援對作業安全性、響應速度及復雜環境適應能力有著更高要求的情況下，具備自主控制、遠程操控與高機動性特點的滅火機器人，已成為提升火場應急處置能力的重要裝備。在此背景下，圍繞滅火機器人系統結構、控制與導航技術，對其在地下空間、高層建筑等典型火災場景的應用優勢加以分析；針對火場感知干擾、多機協同作業及人機融合不足等關鍵技術挑戰，提出抗干擾優化、智能調度機制和協同作戰等策略。研究表明，優化傳感器融合算法、提升動態任務分配能力以及構建標準化人機交互平臺的方式，可有效提高滅火機器人在極端火災環境中的作戰適應性與任務執行效率，進而為城市消防裝備智能化升級以及應急響應體系優化提供理論支持與技術路徑。

關鍵詞：城市火災救援；滅火機器人；感知干擾；多機協同；人機融合

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）03-0031-03

滅火機器人作為集成感知、決策與執行功能的智能裝備，具備穿越高溫、煙塵等極端環境的能力，能夠在保障人員安全的前提下完成火場偵察、目標定位與定點滅火等任務。本文從滅火機器人的系統結構、關鍵控制技術與典型應用場景入手，分析其在實際火災救援任務中的性能優勢，探討其推廣應用所面臨的技術瓶頸及優化路徑，以期推動城市消防智能化體系構建，強化重大災害應急響應能力。

1 滅火機器人系統構成與技術原理

1.1" 主要結構組成與功能模塊

作為復雜災害環境下作業裝備的滅火機器人，其結構設計需滿足高溫、高濕、有毒氣體和障礙密集等火場特征且整體構型圍繞高機動性、高穩定性與多功能集成展開；作為其基礎承載單元的移動平臺承擔行進驅動、轉向控制與地形適應等任務并在履帶式、輪式或復合式結構中實現對不同地面狀況的高效適配[1]；作為核心執行部件的滅火裝置集成高壓水炮、干粉噴射、泡沫噴灑等多種滅火方式且能根據火源類型自動切換作業模式，以實現對目標區域的高強度精準打擊；嵌入多種傳感器組件的感知系統結合紅外熱成像、煙霧濃度探測與三維雷達建圖技術構建火場動態環境模型來支撐路徑規劃與避障決策；依托無線中繼、自組網和圖像傳輸技術的通信系統維持機器人與指揮終端之間的數據鏈路穩定以保障遠程操控、任務下發與狀態監測的實時性與可靠性。各模塊通過高度集成、協同運作構建起具備獨立作業與遠程操控能力的智能滅火作戰平臺。

1.2" 控制與導航技術原理

滅火機器人在復雜火災環境中執行作業任務，需要具備高度智能化的控制與導航能力，其核心技術基礎由路徑規劃、自主避障與目標定位三大模塊構成，路徑規劃模塊基于實時感知數據與環境建模結果，采用多傳感融合算法構建動態柵格地圖，結合A*、DWA或改進型RRT等算法，生成適應火場障礙、溫度梯度和煙霧濃度分布的最優行進路徑，自主避障系統結合激光雷達、紅外傳感與視覺識別單元構建多維障礙物檢測模型，在高溫、低能見度環境下仍可精準識別前方靜態與動態障礙，實現實時路徑調整與應急規避[2]。目標定位功能依賴熱成像識別、煙源聚類分析與空間重構技術，精準確定火源位置或被困人員區域，驅動滅火裝置或協同系統快速響應，在任務執行過程中，控制系統基于多模態信息反饋構建閉環調控結構，通過狀態感知與行為預測提高操作精度與任務完成率，使滅火機器人具備在高風險城市火場中獨立作業與動態決策的能力[3]。

2 滅火機器人在城市火災救援中的典型應用

2.1" 地下空間與高危區域火災中的應用

地下空間與高危區域火災通常具有空間封閉性強、疏散難度大、有毒氣體易聚集等特征。滅火機器人具備遠程操控與復雜環境適應能力，能夠在地鐵隧道火災中依托熱成像與激光導航系統深入核心區域，實時回傳圖像與熱力數據，實現火源精準定位與滅火控制。其在狹窄通道內可連續移動并執行多點噴射任務，配合地面指揮系統有效抑制火勢蔓延，為后續人員疏散與搜救爭取時間。在化工倉庫等高危場所，機器人搭載環境氣體探測傳感器與復合滅火模塊，可快速識別燃燒物類型并智能匹配滅火介質，實施高壓定點噴射，降低爆燃與毒氣擴散風險。實戰經驗表明，滅火機器人可在高危區域長時間穩定運行，其機體具備良好的耐高溫、防腐蝕與抗沖擊能力，適應劇烈熱輻射與結構沖擊等極端火場條件，在隧道與密閉倉儲等典型復雜空間中，機器人通過路徑規劃與動態避障算法實現高精度作業，并配合多角度噴射裝置完成對火源的包圍式壓制，有效提升滅火效率。隨著技術的更新迭代與場景適應能力的增強，滅火機器人已在地下空間與特殊區域火災應急處置中展現出顯著應用成效，成為構建智能化、高效化城市消防體系的重要支撐力量[4]。

2.2" 城市綜合體與高層建筑中的應用

城市綜合體與高層建筑在空間結構、建筑材料、功能布局等方面比較復雜，一旦發生火災，火勢易沿豎向通道迅速蔓延，造成多點復合型燃燒，給傳統人工滅火帶來極大困難。滅火機器人在此類場景下憑借高度模塊化設計與靈活部署能力，有效突破空間限制與高空作業風險。平臺搭載履帶式或多輪驅動系統，在室內地形復雜、障礙密集的區域實現穩定移動，具備跨越碎片障礙、上坡越坎的動態調姿能力，保障在樓宇內部或地下空間內的持續作業。控制系統基于多傳感融合感知技術，對樓宇結構構件進行動態識別與路徑映射，在缺乏GPS信號的環境中依靠慣性導航與視覺SLAM算法完成精準定位與路徑校正，確保在復雜建筑內部的自主導航效率。遠程操控端配備多視角圖像接收與動態指令調整系統，作戰人員可依據機器人上傳的實時環境數據快速制定戰術部署，實現多點分布式滅火、火源壓制與熱區封鎖。在高層火情中，滅火機器人通過樓宇消防電梯、外墻吊升系統或無人機掛載平臺實現垂直輸送，進入指定樓層后開展偵查、滅火與人員搜救等多任務操作。高層建筑內部高熱通道與可燃裝飾材料廣泛使用導致火場環境溫度與煙霧濃度快速上升，滅火機器人依托熱成像識別與環境動態建模技術快速識別火源與高溫聚集區，引導滅火模塊實施定點噴射，精準控制熱力蔓延路徑，防止火勢蔓延至結構核心。

滅火機器人于高層及大型建筑火災現場的介入，有著顯著縮短響應時間、降低消防人員暴露風險、提高火情處置的空間覆蓋能力與連續作戰時間之效，已逐步成為現代城市消防系統里不可或缺的高效作戰單元。而未來若實現其與建筑BIM模型、物聯網平臺及智能調度系統的深度融合，有望進一步提升它在復雜建筑環境下的任務自適應能力與協同作戰效率。

3 應用面臨的技術挑戰與對策

3.1" 感知環境復雜性與抗干擾能力不足

在復雜多變的城市火災環境下，滅火機器人于高溫、濃煙、有毒氣體及電磁干擾等條件下作業，常面臨著感知失真、通信不穩定和控制系統響應延遲等挑戰，影響其自主作業能力與任務執行效率。比如，高溫區域紅外輻射增強會致使熱成像模塊傳感飽和，讓機器人難以精準識別高溫火源且影響路徑規劃；同時，其內部諸如圖像處理芯片、傳感模塊和通信中繼單元等電子器件在長期高溫暴露下易出現性能衰減、數據處理延遲甚至硬件失效情況，削弱整體系統連續響應能力；濃煙遮擋嚴重干擾基于可見光的圖像識別與目標跟蹤系統，使機器人無法獲取清晰環境特征信息，導致邊緣模糊、物體分割錯誤，影響三維重構與路徑規劃算法穩定性；此外，有毒氣體濃度波動大，造成氣體傳感器靈敏度漂移與響應時間延遲，降低環境監測準確性；還有高層建筑、地下空間中密集金屬構件與電氣設施產生的電磁干擾信號，可能致使機器人無線通信鏈路中斷、導航誤差增大，甚至影響遠程控制指令的及時響應。

對于以上問題，硬件設計方面需使用高溫隔熱材料、抗腐蝕外殼以及電磁屏蔽殼體，以提升核心電子器件在極端環境下耐受性，確保傳感器和通信模塊長期穩定運行。感知系統上應集成紅外熱成像、激光雷達、毫米波雷達等多傳感器融合技術來增強感知冗余度，避免單一傳感器失效對整體運行造成影響，以智能權重調整算法的方式依據火場環境干擾類型，實時調整傳感器數據權重優化信息融合穩定性。軟件層面可以引入魯棒控制、自適應濾波與動態容錯機制，讓機器人即便部分傳感器數據失真仍能執行核心功能，維持路徑規劃與動態避障穩定性。構建實時環境建模系統，基于多維數據輸入生成動態火場地圖，使機器人可在高溫、有毒氣體、電磁干擾等復雜環境中實現高效作業，進一步提升其任務完成率與實戰可靠性[5]。

3.2" 多機協同與人機融合不足

在城市火災救援任務中實現逐步常態化部署的滅火機器人，于復雜作戰環境下存在著多機協同調度不足以及人機作業融合水平不高的狀況，影響整體救援效率；復雜多變的火場環境中，多臺缺乏統一任務規劃機制與協同控制協議的機器人，易發生路徑沖突、資源重復利用和作業盲區，致使整體作戰效率和信息覆蓋密度降低；現有的主要依賴預設規則與中心控制模式的機器人集群控制，因缺乏自適應動態分配能力，難以應對火勢蔓延、建筑結構變化以及受困人員位置不確定等突發情況。

在與消防員協同作業方面存在接口不統一、數據共享不足、語義感知缺失等問題，進而導致信息傳遞不暢，影響協同作戰實時響應速度的情況，比如無法理解消防員非結構化指令（如手勢、語音或突發任務調整），致使任務執行與人工戰術脫節，可能出現路徑重疊、行動沖突或任務執行誤差的狀況。此外，還有作業過程中通信協議標準不統一、任務語義理解能力弱，使得難以準確判斷消防員戰術意圖、限制自主協同水平的現象。同時，在高層建筑、地下通道等復雜場景中存在多機系統缺乏統一時空協同框架，致使任務分配可能滯后，導致機器人過度集中或任務資源分配不均衡影響作戰節奏的情形。

對于以上問題，在多機協同層面需引入任務驅動的集群智能調度策略，以及建立機器人之間多主體狀態建模與協同避障機制，以此實現根據火場環境對任務分配進行動態調整、避免路徑沖突和任務盲區的目的，同時結合基于場景理解的行為預測模型來提升機器人適應火場發展趨勢的能力，進而使其在高層建筑、地下空間等復雜環境達成自適應布局與任務協調的效果。

在人機協同方面，需通過建立標準化接口協議來確保機器人與消防員之間數據交互的一致性，進而提升戰術配合能力；同時要增強機器人的語義感知能力以使其能更準確地理解消防員指令，例如可結合語音識別、手勢識別與任務意圖推理來提升任務執行的精準度；另外，還可構建統一時空協同框架優化多機系統與人工作業實時信息共享的能力，保證各機器人能基于消防員戰術調整動態更新任務執行方案，以此進一步提升城市火災救援智能化協作能力與作業效率。

4 結束語

城市火災救援任務對響應速度、作業安全性與復雜環境適應能力提出更高要求，滅火機器人作為智能化應急裝備，在火場探測、精準滅火與協同作戰等方面展現出顯著優勢。系統結構集成多功能模塊，控制與導航技術支撐其在高風險區域實現自主作業與遠程指令響應，典型應用案例驗證其在地下空間、高層建筑等復雜環境中的作戰有效性。感知系統在高溫濃煙、電磁干擾等條件下面臨穩定性挑戰，協同作業與人機融合層面仍存在技術壁壘。提升系統魯棒性、信息融合能力與集群智能調度水平是推動滅火機器人實戰化、智能化發展的關鍵路徑。構建與城市消防體系深度適配的協同機制與標準化平臺將有效提升城市火災整體處置效率，為智慧應急響應提供有力技術支撐。

參考文獻

[1]馬志強.消防機器人滅火救援應用分析[J].中國設備工程，2025（2）：256-258.

[2]周顯峰.信息化技術在滅火救援指揮決策中的整合應用實踐[J].今日消防，2024，9（12）：55-57.

[3]韓孟輝.智能化滅火技術在化工消防救援中的應用[J].產業創新研究，2024（10）：94-96.

[4]高翌喬，梁池森，陳卓婭.智能消防機器人的設計和應用[J].數字技術與應用，2023，41（8）：170-172.

[5]尹海陽，龍小玉，肖颯，等.消防滅火機器人的發展現狀及展望綜述[J].今日消防，2023，8（1）：16-18+24.