謝永利

（青島市消防救援支隊(duì)，山東 青島 266019）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，技術(shù)水平的進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域均在大力尋求可以提高生產(chǎn)效率的新型技術(shù)。然而在現(xiàn)階段，智能化科學(xué)技術(shù)也推動(dòng)了進(jìn)步，機(jī)器人即為人工智能技術(shù)的產(chǎn)物。在消防救援的過(guò)程中，使用消防機(jī)器人可以最大限度地提升滅火作業(yè)的效率，為消防人員的安全提供穩(wěn)定可靠的保障。

1 消防機(jī)器人的基本概念及應(yīng)用特點(diǎn)

相關(guān)工程技術(shù)人員如果要在一類任務(wù)中充分發(fā)揮某種新型技術(shù)的全部?jī)?yōu)勢(shì)，就需要對(duì)相關(guān)基本概念全面地掌握并理解，這樣操作就可以精準(zhǔn)地把握相關(guān)技術(shù)的使用方法，通過(guò)科學(xué)合理的方式體現(xiàn)該技術(shù)的重要作用。

1.1 消防機(jī)器人的基本概念

消防機(jī)器人的基本概念是在消防滅火救援的進(jìn)程中所應(yīng)用的機(jī)器人是一類具備特殊功能的機(jī)器人，消防機(jī)器人的產(chǎn)生為消防滅火救援任務(wù)的順利開(kāi)展創(chuàng)造了全新的工作理念，同時(shí)也為保障相關(guān)消防救援人員的生命安全提供有利保障。

1.2 消防機(jī)器人的主要類型

消防機(jī)器人的主要類型有機(jī)械手臂形式、救援拖斗形式及行走系機(jī)器人3種。機(jī)械手臂機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)是機(jī)械手臂，機(jī)械手臂的使用能夠迅速將相關(guān)閥門打開(kāi)，采用科學(xué)的方法去捕捉特定的目標(biāo)，甚至可以對(duì)被困人員進(jìn)行搶救。救援拖斗消防機(jī)器人在消防滅火救援過(guò)程中充當(dāng)擔(dān)架的角色，當(dāng)機(jī)械手臂消防機(jī)器人把受傷人員放置在救援拖斗消防機(jī)器人上面的時(shí)候，此時(shí)，相關(guān)消防機(jī)器人就開(kāi)始工作。行走系消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主體為履帶式行走機(jī)器人。相關(guān)工程技術(shù)人員全方位掌握了消防救援機(jī)器人的主體構(gòu)造，使所有種類消防救援機(jī)器人都可以最大程度地發(fā)揮其功能[1]。

1.3 消防機(jī)器人設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

該類機(jī)器人的設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)中包括組成消防救援體系的關(guān)鍵要素——多類型的傳感裝置、電氣裝置、電源裝置、DC電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)單元裝置。為此，該消防救援裝置中最核心的是微型控制模塊。各部分裝置通過(guò)微控制裝置的協(xié)調(diào)作用構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一完整的系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中藍(lán)牙模塊、火焰?zhèn)鞲衅骷俺暡▊鞲衅鲗儆谔綔y(cè)部分；GSM模塊、伺服電機(jī)及報(bào)警電路屬于驅(qū)動(dòng)部分；機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)由水泵、泵驅(qū)動(dòng)板、微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板及電機(jī)構(gòu)成，探測(cè)部分負(fù)責(zé)探測(cè)相關(guān)的火情信息，驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)根據(jù)相應(yīng)指令，向微控制器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，微控制器根據(jù)上述信號(hào)操控機(jī)器人的各個(gè)系統(tǒng)，做出各類動(dòng)作。在總體設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要多次進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證各個(gè)相關(guān)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，滿足及其人主體框架所有相關(guān)功能的完整性及運(yùn)行的平穩(wěn)性需求。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

微控制模塊集中協(xié)調(diào)全部的傳感裝置和制動(dòng)裝置間的動(dòng)作及聯(lián)系。2個(gè)DC電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的2個(gè)滾輪；移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以精確捕捉機(jī)器人當(dāng)前的位置信息；藍(lán)牙系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)與機(jī)器人進(jìn)行通信；超聲波類型的傳感裝置用于探測(cè)并且提示機(jī)器人及時(shí)避開(kāi)路線上的障礙物，火焰?zhèn)鞲醒b置用來(lái)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)火情；電機(jī)及泵驅(qū)動(dòng)踏板分別控制電動(dòng)機(jī)及泵裝置。

1.4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.4.1 Arduino MEGA 2650 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板介紹

該設(shè)計(jì)應(yīng)用Arduino系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板，這是因?yàn)槠淠軌蚍奖憧旖莸剞D(zhuǎn)移相關(guān)程序。Arduino系統(tǒng)自帶56個(gè)數(shù)字參數(shù)輸入/輸出端口，配備18 MHz頻率的晶振單元，另外還有Arduino與電腦相連的端口，直接安置在相關(guān)的功能模塊中。根據(jù)研究工作的需要，可使用串行總線將Arduino系統(tǒng)連接到筆記本電腦，對(duì)其進(jìn)行編程操作。集成Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境是基于C語(yǔ)言進(jìn)行運(yùn)行的。系統(tǒng)流程如圖2所示。在該過(guò)程中，系統(tǒng)初始狀態(tài)首先對(duì)探測(cè)裝置發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)進(jìn)行尋找，其次進(jìn)行超聲波傳感器信息的檢測(cè)，最后對(duì)火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)。如果系統(tǒng)偵查到障礙物，需要對(duì)行進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，沒(méi)有則繼續(xù)前進(jìn)；如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)火情，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，隨后向火焰方向前進(jìn)，到達(dá)設(shè)定位置開(kāi)啟水泵進(jìn)行滅火操作，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)火情，則繼續(xù)前進(jìn)。上述過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，直到滅火任務(wù)圓滿完成。

圖 2 系統(tǒng)流程

1.4.2 火焰?zhèn)鞲醒b置單元模塊

火焰?zhèn)鞲醒b置用于識(shí)別熱能并且向微控制單元發(fā)出警示信號(hào)。為防止傳感裝置受損，機(jī)器人不宜距離起火源頭過(guò)近。改裝置配備1個(gè)電位計(jì)用于調(diào)整系統(tǒng)的靈敏程度。該模塊的核心部件是火情探測(cè)的部分及具有數(shù)字輸出能力的比較器裝置部分?；鹎樘綔y(cè)的單元的功能是向微控制單元傳送相關(guān)信息。

1.4.3 超聲波傳感裝置單元模塊

人類通常能聽(tīng)到20 Hz～20 000 Hz頻率區(qū)間的聲音，假如依靠人類自身聽(tīng)力，探測(cè)的信息范圍比較有限。如果使用超聲波傳感裝置，捕捉的頻率范圍將加大。其原理類似測(cè)量裝置，借助回波數(shù)值的識(shí)別，來(lái)測(cè)定距離。

1.4.4 移動(dòng)通信系統(tǒng)單元模塊

全球定位通信系統(tǒng)的單元模塊/GSM指的是一個(gè)芯片組，主要作用是在移動(dòng)終端設(shè)備或者其他機(jī)器設(shè)備與全球定位通信系統(tǒng)或者全球定位通信系統(tǒng)間進(jìn)行有效地通信。電子裝備是關(guān)鍵的組成部分，一般會(huì)根據(jù)實(shí)際需求，借助微控制單元或者是電腦相關(guān)接口。全球定位通信系統(tǒng)的電子裝備在交易活動(dòng)終端設(shè)備、保護(hù)功能的程序中均包括數(shù)量眾多的選擇數(shù)據(jù)包。

1.4.5 伺服電機(jī)單元

伺服電機(jī)的使用在移動(dòng)類型的機(jī)器人、無(wú)人駕駛飛機(jī)或者無(wú)人駕駛汽車中得到了廣泛的應(yīng)用。伺服電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)尺寸精度范圍由微型直到工業(yè)領(lǐng)域的大型區(qū)間。伺服電機(jī)系統(tǒng)生成信號(hào)，可以輸出軸所在的相應(yīng)角度信號(hào)。

1.5 消防機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

消防機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是該裝置能夠代替消防救援人員完成某些難度較大、危險(xiǎn)系數(shù)較高的救援任務(wù)，例如在缺氧含量較低、濃煙及有毒有害氣體的環(huán)境之中，消防機(jī)器人依舊能夠完成相關(guān)消防滅火救援任務(wù)，有效降低消防救援人員的傷亡概率，還可以為消防滅火救援工作爭(zhēng)取非常寶貴的時(shí)間。在消防滅火救援的進(jìn)程中，有大量工作具有明顯的重復(fù)性，假如要求消防救援人員持續(xù)進(jìn)行相關(guān)工作，不僅會(huì)造成人力及物力不必要的浪費(fèi)，還會(huì)影響消防滅火救援任務(wù)的執(zhí)行效率。因此，在相關(guān)狀況下合理使用消防機(jī)器人，讓它們?nèi)?zhí)行機(jī)械的重復(fù)勞動(dòng)，確保整體消防救援工作的順利開(kāi)展。特別是消防機(jī)器人具有可操作性優(yōu)良的特性，只要在特定的周期內(nèi)對(duì)它們進(jìn)行全面的維修及保養(yǎng)，就能夠最大限度地發(fā)揮消防機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，為消防救援人員的工作減輕相應(yīng)的負(fù)擔(dān)[2]。

消防機(jī)器人的缺點(diǎn)是制造成本高。在許多經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，很少會(huì)使用消防機(jī)器人進(jìn)行滅火救援工作。消防機(jī)器人只在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)才可以得到推廣及應(yīng)用。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，消防機(jī)器人是一類非常特殊的機(jī)器人，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中不僅需要消耗較多的人力及物力，而且還增加了制造成本。因?yàn)橄嚓P(guān)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)制造進(jìn)程中，一些技術(shù)還不符合相關(guān)消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)使用要求，所以消防機(jī)器人的最終成品產(chǎn)量較低，而且銷售價(jià)格非常高。消防機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中，還需要配備相關(guān)的售后服務(wù)人員對(duì)其進(jìn)行周期性的維護(hù)及保養(yǎng)，使消防機(jī)器人可以在執(zhí)行消防救援任務(wù)的過(guò)程中全面體現(xiàn)出具備的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)橄罊C(jī)器人是一類科技含量較高的復(fù)雜裝置，所以對(duì)進(jìn)行維修保養(yǎng)的技術(shù)操作人員的專業(yè)水平要求較高，他們需要掌握消防機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，這樣才可以保證他們?cè)谙罊C(jī)器人維修保養(yǎng)工作的過(guò)程中，能夠有明確的目標(biāo)及方向。總而言之，消防機(jī)器人的應(yīng)用是一種利大于弊的行為，可以提高消防滅火救援任務(wù)的執(zhí)行效率。

2 消防救援任務(wù)中應(yīng)用消防機(jī)器人的重要意義及實(shí)際應(yīng)用

2.1 消防救援任務(wù)中應(yīng)用消防機(jī)器人的重要意義

由于我國(guó)的火災(zāi)事故近年來(lái)頻繁發(fā)生，消防領(lǐng)域的工作越來(lái)越受到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。假如開(kāi)發(fā)出一種能輔助消防滅火救援任務(wù)的技術(shù)，就可以為消防人員的生命安全提供更大的保障，這已經(jīng)成為消防領(lǐng)域中的重點(diǎn)關(guān)注課題。消防機(jī)器人的應(yīng)運(yùn)而生為消防救援任務(wù)帶來(lái)了一種全新的工作執(zhí)行模式，在現(xiàn)代消防滅火救援過(guò)程中發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣的情況下，消防人員滅火救援工作的過(guò)程將會(huì)面臨極大的困難，必須要處于高溫并且有毒有害氣體濃度較大的環(huán)境中，嚴(yán)重威脅了消防人員的生命安全。這種情況下應(yīng)用消防機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，可以最大限度地解決該問(wèn)題，機(jī)器人可以代替消防人員進(jìn)行某些危險(xiǎn)的工作，并能在緊張的消防救援過(guò)程中爭(zhēng)取到寶貴的時(shí)間，確保救援任務(wù)順利開(kāi)展的時(shí)效性及科學(xué)性。在消防滅火救援任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，消防機(jī)器人的應(yīng)用還能夠鼓舞消防人員的士氣，使其安全感得到提高，由于消防機(jī)器人的科學(xué)應(yīng)用可以推動(dòng)滅火救援任務(wù)的安全實(shí)施，因此能夠平穩(wěn)消防人員的心態(tài)，可見(jiàn)，消防機(jī)器人在消防滅火救援任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中起到了重要的作用。

2.2 在消防救援任務(wù)中應(yīng)用消防機(jī)器人

2.2.1 在高層建筑物滅火任務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)階段，高層建筑物是國(guó)內(nèi)建筑的主流形式，一旦在高層建筑物中出現(xiàn)火情，由于主體結(jié)構(gòu)等原因的制約導(dǎo)致火勢(shì)蔓延較快，并且被困人員的撤離、救援滅火等任務(wù)的實(shí)施難度比較大。其表現(xiàn)為由于建筑物過(guò)高，因此消防車配備的云梯不能達(dá)到實(shí)際滅火救援工作的要求，并且消防員在攀登高度方面也存在一定的限制；除此以外，高層建筑物出現(xiàn)火情后煙氣及有毒有害氣體很難及時(shí)排放，滅火用水水位和供水量也很難達(dá)到相應(yīng)的要求。為此，將消防機(jī)器人裝備投入消防救援的任務(wù)中，可以依靠消防機(jī)器人的各類功能優(yōu)勢(shì)來(lái)應(yīng)對(duì)相應(yīng)的困難，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)消防機(jī)器人的進(jìn)程中，需要綜合考慮高層建筑物主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，保證消防機(jī)器人具有完善的滅火系統(tǒng)，并可以上下樓，能夠?qū)鹎楝F(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行分析和反饋，并且可以針對(duì)被困人員進(jìn)行救援。

2.2.2 在地下建筑及地鐵通道中的實(shí)際應(yīng)用

地下空間通常為相對(duì)封閉形式的模式，如果出現(xiàn)火情，相應(yīng)空間內(nèi)的溫度就會(huì)快速上升，并且煙霧及有毒有害氣體的濃度也會(huì)相應(yīng)提高，這種情況對(duì)于消防人員進(jìn)行救援工作造成了極大的困難，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的消防人員的安全面臨較大的威脅。在相關(guān)領(lǐng)域中使用消防機(jī)器人，可以解決地下建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部滅火救援任務(wù)中出現(xiàn)的難題，將該類火情導(dǎo)致的傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失降到最低。在地鐵系統(tǒng)的隧道中，對(duì)于突發(fā)的火情設(shè)定了嚴(yán)格的解決方案，地鐵車輛及隧道內(nèi)部設(shè)計(jì)可以完美應(yīng)對(duì)火災(zāi)，然而，隧道內(nèi)一旦出現(xiàn)火情，滅火和救援任務(wù)執(zhí)行的難度極大。此時(shí)，將具備攀爬能力的消防機(jī)器人應(yīng)用于地鐵中或作為地鐵站內(nèi)部的消防裝備，能夠確保及時(shí)進(jìn)行高效的滅火救援任務(wù)。

2.2.3 在石油化工等高危場(chǎng)地中的實(shí)際應(yīng)用

從某地的化學(xué)物品爆炸事故中可以看出，在存放石油等危險(xiǎn)產(chǎn)品的場(chǎng)所中，如果出現(xiàn)火情，可能帶來(lái)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)消防人員很難安全地進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行快速有效的消防救援任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的危險(xiǎn)性非常大。在相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用消防機(jī)器人，可以大幅度減少消防人員的傷亡和損失，為迅速進(jìn)行救援、防止火情的惡化提供進(jìn)一步保障。

3 消防機(jī)器人在消防滅火救援任務(wù)中的實(shí)際應(yīng)用策略

3.1 在執(zhí)行密閉空間以及地下室內(nèi)部采取消防滅火救援行動(dòng)

一旦在地下空間或是相對(duì)密閉的空間內(nèi)發(fā)生火情，便有可能在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量濃煙聚集的現(xiàn)象，且上述濃煙及有毒有害氣體很難順利排出，因此會(huì)嚴(yán)重威脅空間內(nèi)全部人員的生命安全。所以，在該種情況下，救援任務(wù)無(wú)法順利進(jìn)行，消防人員生命及健康也很難得到保證。近年來(lái)，密閉空間內(nèi)執(zhí)行救援任務(wù)犧牲的消防人員為數(shù)眾多，通常均為密閉空間內(nèi)出現(xiàn)窒息情況而導(dǎo)致的。然后，在該種狀況下應(yīng)用消防機(jī)器人就能夠妥善地應(yīng)對(duì)相關(guān)問(wèn)題，這是因?yàn)榧词乖诔錆M濃煙及有毒有害氣體的密?？臻g內(nèi)，消防機(jī)器人也能夠正常工作和執(zhí)行救援任務(wù)，還能夠利用本身配備的高清攝像頭，給相關(guān)消防人員提供密閉空間內(nèi)部情況的清晰影像，以確保指揮人員能夠迅速制定消防滅火救援的策略，并且實(shí)時(shí)向機(jī)器人發(fā)出適當(dāng)?shù)墓ぷ髦噶?，用?lái)提升消防滅火救援任務(wù)執(zhí)行的效率[3]。

3.2 特殊情況下的消防滅火救援任務(wù)

通常來(lái)講，低溫及高溫的情況均會(huì)對(duì)消防滅火救援任務(wù)的推進(jìn)造成阻礙。在某些氣溫較低的情況下，會(huì)出現(xiàn)氣體燃燒的問(wèn)題，發(fā)出大量有害的物質(zhì)，大幅度增加了消防救援任務(wù)的困難。因此可以利用機(jī)器人攜帶的大功率排煙設(shè)備，排除有害氣體，保證現(xiàn)場(chǎng)的能見(jiàn)度，保證后期滅火任務(wù)的順利開(kāi)展。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，消防機(jī)器人在滅火救援任務(wù)中的前景廣闊，它既可以減少消防人員的傷亡，還能增強(qiáng)消防任務(wù)的執(zhí)行效率。該文首先介紹了消防機(jī)器人的基本概念，其次其重要性，最后研究了消防機(jī)器人在相對(duì)密閉的空間、高層建筑物以及特殊情況下的實(shí)際應(yīng)用，方便相關(guān)人員能夠科學(xué)地應(yīng)用消防機(jī)器人。