火災撲救中的人機協作模式優化研究

摘要：當前，復雜建筑火災場景的多元致災因子對傳統救援模式形成嚴峻挑戰，人機協同作戰已成為突破滅火效能瓶頸的關鍵路徑。現系統剖析當前人機協作模式在技術、協同機制以及人員能力與培訓等3方面問題，繼而提出技術集成創新路徑、協同流程重構方案、人才培養體系升級的人機協作模式優化策略，旨在有效提升復雜火場態勢下的戰術執行精度與系統魯棒性，為解決人機協同作戰中的信息孤島、響應遲滯等問題提供系統性解決方案。

關鍵詞：火災撲救；人機協作；協同機制；智能消防；戰術優化

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0043-03

0 引言

近年來，高層建筑、地下空間等復雜火災場景對傳統救援模式形成嚴峻挑戰，人機協同作戰逐漸成為突破救援效能瓶頸的關鍵路徑。無人機、消防機器人等智能裝備的應用雖增強了火場偵察與高危作業能力，但設備間的數據交互效率尚有提升空間、動態協同邏輯的完善程度仍需優化，以及人員技術認知存在轉型期的適應挑戰，這些因素仍制約著人機協作效能的充分發揮。現有研究多聚焦單一技術改進，在“人-機-環境”復雜系統的全局性優化方面有待深化。現從技術、機制、人才等3個維度切入，探索人機協作模式的系統性優化路徑，旨在通過技術融合創新、指揮流程重構與能力體系升級，實現消防作戰中人類智能與機器效能的深度耦合，提升復雜火場環境下的應急救援能力。

1 火災撲救中人機協作模式發展現狀

1.1" 技術應用現狀

當前，消防領域的人機協作技術已形成多維度應用體系。無人機通過集成多光譜傳感設備，在濃煙彌漫和建筑結構遮擋的復雜環境中實現了三維立體偵察，其搭載的智能分析模塊可對火場熱力分布及有毒氣體擴散路徑進行動態建模。消防機器人技術正從單機遙控向群體智能演進，具備耐高溫防護的履帶式平臺可攜帶多功能機械臂抵近火源，執行破拆、冷卻等高風險任務。智能指揮系統通過融合建筑信息模型與實時定位數據，構建了具備態勢推演功能的數字孿生火場，為指揮員提供多維度決策支持。然而，設備間的數據互通性仍需加強，多機協同作業時的任務分配邏輯尚未形成統一標準，部分智能算法的環境適應性在極端火場條件下呈現性能波動。

1.2" 典型協作模式分類

根據任務屬性和功能定位，現有協作模式主要分為3類：偵察決策型協作通過構建“前端感知-中樞研判”鏈路，由智能設備采集熱力學參數、結構應力等關鍵數據，經邊緣計算節點預處理后生成作戰建議，指揮員據此調整戰術部署。高危作業型協作采用“人員監護-機器執行”模式，消防員依托增強現實設備遠程操控機器人完成化工裝置堵漏、承重墻破拆等精細操作，實時交互界面同步顯示機械臂扭矩、液壓壓力等核心參數。群體智能型協作形成“多機協同-人員調控”的立體網絡，集群無人機執行火場監測與通信中繼，滅火機器人編組實施梯次進攻，指揮中樞通過分布式控制系統實現資源動態調配。

在超高層建筑火災等典型場景中，多重協作模式呈現交叉融合特征。無人機群組構建空中監測矩陣，實時追蹤火勢蔓延趨勢；地面機器人分隊開辟救援通道，同步傳輸建筑結構穩定性數據；消防員突擊小組在智能終端指引下實施內攻滅火，形成“空天地”一體化的作戰體系。這種立體化協同網絡突破了傳統救援的時空限制，有效提升了高溫、毒害等危險區域的作業效率，但裝備間的互操作性和戰術銜接精度仍需進一步優化[1]。

2 當前人機協作模式存在的主要問題

2.1" 技術層面的局限性

當前，人機協作技術在火災撲救中的實際效能，尚未完全突破物理環境與信息處理的瓶頸制約。設備傳感器在復雜火場環境下的感知精度存在顯著衰減，熱輻射干擾導致紅外成像設備對燃燒物質的識別準確率呈現波動特征，濃煙環境下的氣體檢測模塊易出現交叉敏感性誤報。多源異構數據融合尚未形成統一處理范式，無人機偵察數據、建筑BIM信息與消防物聯終端間的時空基準偏差，致使動態作戰沙盤的構建存在實時性提升需求，影響指揮決策時效性。

智能裝備的自主決策能力仍處于規則驅動階段，難以適應火場態勢的動態突變。滅火機器人在高溫輻射環境下的路徑規劃算法魯棒性不足，當火場熱流強度超出傳感器量程時，自主避障系統易陷入局部最優解陷阱。集群無人機在室內復雜空間的協同編隊控制仍存在通信盲區，電磁干擾導致的多機避撞機制失效風險尚未完全消除。此外，裝備系統的熱防護性能與作業持久性尚未實現最優平衡，水冷式防護裝置對機器人運動負載的影響值得重點關注，而輕量化設計的近火作業時長存在技術提升空間。

2.2" 協同機制的完善性有待提升

現有人機協作體系尚未形成高效的指揮響應架構，戰略決策、戰術調整與執行操作3個層級間存在協同優化需求。指揮中樞對前線智能裝備的調控仍以單向指令模式為主，裝備狀態自主反饋形成的閉環修正機制尚未充分建立。多機協同作業時，任務分配算法在動態適應性方面存在改進空間，當某臺消防機器人因高溫導致液壓系統效率下降時，任務再分配協議觸發機制響應時效性有待提升，可能影響整體滅火效能的穩定性。

人機交互界面存在人因工程優化需求，增強現實設備呈現的多維度信息在認知負荷管理方面值得改進，關鍵參數的視覺凸顯設計與實際操作需求存在適配空間。在高層建筑火災的多單元協同作戰中，地面機器人組、無人機群與消防員小組間的行動時序同步精度有待強化，破拆作業產生的建筑結構變化信息存在系統映射延遲現象，二次坍塌預警機制的響應速度仍需持續優化。此外，應急預案中的人機協作規程尚未形成標準化操作清單，不同廠商設備接入指揮系統時需進行臨時協議適配，嚴重影響黃金救援期的處置效率。

2.3" 人員能力與培訓的系統性仍需加強

消防指戰員在人機協同作戰中的角色定位尚未完成從“操作執行者”向“系統管理者”的轉型。現有培訓體系偏重單一裝備操作技能培養，對多機協同原理、智能算法局限性等底層邏輯的傳授深度有待加強。部分一線消防員無法準確解讀智能偵察系統提供的熱力學態勢圖例，對設備預警信息的誤判可能導致戰術決策偏差。指揮員群體在人機協同效能評估方面能力建設仍需深化，在混合編隊作戰時把握人工干預時機的精準度需要經驗積累與專項訓練。

訓練場景的真實性與復雜性與實際火場環境存在差距，現有模擬火場對通信干擾、能見度驟降等復合致險要素的模擬完整度有待提高，導致受訓人員在人機協同應急處置中形成“訓練-實戰”能力落差。培訓課程尚未建立智能裝備故障的應急操作標準，當機器人突發控制系統宕機時，消防員缺乏快速切換人工接管模式的規范化處置流程。此外，裝備研發人員與消防戰術專家的知識融合存在深化空間，技術參數設定與實戰需求存在一定程度的匹配偏差，如部分無人機續航時間未考慮火場上升氣流導致的額外能耗，直接影響偵察作業連續性。

3 人機協作模式的優化策略

3.1" 技術集成創新路徑

提升人機協作效能需突破現有技術瓶頸，構建具備環境自適應能力的智能裝備體系。在感知層，研發多模態傳感器融合技術，將紅外熱成像、毫米波雷達與氣體光譜分析相結合，通過特征級信息互補提升火場偵察精度。針對高溫環境設計耐熱型光電復合纜，實現消防機器人作業時的實時數據傳輸與能源供給一體化。數據處理層應建立邊緣計算節點，在無人機端部署輕量化神經網絡模型，對火勢蔓延趨勢進行在線預測，壓縮數據傳輸至指揮中心的決策響應延遲。

優化智能裝備的自主決策算法，引入深度強化學習機制，使滅火機器人能夠基于實時熱輻射梯度動態調整射流參數與行進路徑[2]。在集群控制方面，開發抗干擾的分布式協同框架，利用UWB定位與慣性導航融合技術，確保無人機群在室內復雜空間中的編隊穩定性。針對裝備熱防護與機動性矛盾，探索相變材料與主動冷卻系統的組合應用，通過熱沉效應延長機器人近火作業時間，同時采用仿生關節設計降低運動能耗。

強化系統兼容性需建立統一的數據通信協議，制定消防裝備接口的國家標準，實現不同廠商設備在指揮平臺的無縫接入。開發數字孿生系統時，需將建筑BIM模型與消防物聯網數據在時空基準上精確對齊，通過三維點云實時更新技術，確保動態作戰沙盤的構建延遲控制在10s以內。此外，應構建裝備健康狀態監測模塊，實時采集電機溫度、液壓壓力等關鍵參數，為任務動態分配提供底層數據支撐。

3.2" 協同流程重構方案

重構人機協同指揮架構需建立“感知-決策-執行”的動態閉環。在戰略層，指揮系統應集成態勢推演模塊，基于燃燒動力學模型預判火勢發展，自動生成多套作戰方案供指揮員決斷。戰術層實施任務智能分發機制，根據設備性能衰減系數動態調整作戰編組，當某機器人液壓系統效率下降至閾值時，自動觸發鄰近設備的任務接替協議。執行層需規范人機交互動作標準，制定機械臂操作、水炮射流角度等42項精細化控制規程。

優化多個無人機協同邏輯需建立分級響應機制。一級協同由裝備自主完成基礎作業，如無人機群自動保持火場監測覆蓋；二級協同需人員介入決策，如破拆機器人遇到承重結構時自動暫停并請求指令確認；三級協同應對突發狀況，當熱流突變導致路徑規劃失效時，啟動人工遙控接管模式。在交互界面設計上，應用眼動追蹤技術識別消防員關注焦點，對關鍵參數實施動態可視化增強，將認知負荷降低。

構建標準化應急響應流程需明確3類接管情形：設備故障時啟動人工直接控制，通信中斷時啟用預設應急方案，環境突變時切換保守作戰模式。針對多單元協同，建立時空同步機制，要求破拆作業產生的結構變化數據在5s內同步至所有作戰單元。開發戰術動作驗證系統，對每項人機協同指令進行安全邊界校驗，當水炮射流可能破壞建筑穩定性時自動鎖止執行機構并發出預警。

3.3" 人才培養體系升級

消防員能力轉型需建立“技術認知-系統操控-戰術創新”的三階培養體系。基礎層設置智能裝備原理課程，重點講解傳感器誤差形成機制、算法決策邊界等核心知識。中級層開展多機協同模擬訓練，設置通信干擾、設備故障等12類特情處置模塊。高級層培養戰術創新能力，通過戰例推演分析人機協同的28種典型失誤模式，提升指戰員的系統優化能力。

革新訓練手段需構建虛實融合的火場環境。利用擴展現實技術模擬高溫熱輻射的生理感知，在虛擬訓練中植入設備信號延遲、傳感器誤報等干擾因素。開發智能陪練系統，根據受訓者操作習慣動態調整訓練難度，對戰術決策偏差進行實時因果分析。建立人機協同考核的量化指標體系，將裝備狀態識別準確率、多機調度響應速度等7項參數納入崗位能力認證標準。

深化產學研協同需建立“需求-研發-驗證”的閉環機制。每季度組織消防指戰員與裝備工程師開展需求對接會，將火場處置中的209項戰術動作轉化為技術參數。在裝備測試階段引入實戰化評估流程，要求新型機器人在模擬火場中連續完成破拆、滅火、搜救等復合任務。建立知識共享平臺，整理收錄典型戰例中的人機協同數據，為算法優化提供真實訓練樣本。

4 結束語

綜上所述，通過構建環境自適應感知技術體系，開發深度強化學習驅動的自主決策算法，重構多機協同的彈性響應機制，培育指戰員的系統管理思維，能夠有效突破當前人機協同中的技術天花板與戰術瓶頸。優化方案在提升火情偵察實時性、保障高危作業安全性和增強指揮決策科學性等方面展現出顯著價值。后續研究需重點關注智能算法與消防戰術的深度融合，推動人機協作模式從靜態規則執行向動態認知協同升級，同時加強裝備研發、戰術創新與人員培訓的閉環銜接，為構建新一代智能消防體系奠定基礎。

參考文獻

[1]王國斌.消防滅火救援中應用無人機的研究[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2023（4）：5-8.

[2]高翌喬，魏安圣，蔣子豪.可調節智慧消防滅火機器人的設計與研究[J].城市建筑空間，2023，30（S1）：286-287.