侯建軍，毛軼超，陳利，陳文敏

基于AHP層次分析法的履帶式智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

侯建軍，毛軼超，陳利，陳文敏

（南京工程學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 211167）

建立消防機(jī)器人功能需求指標(biāo)，將人工智能技術(shù)與消防機(jī)器人功能結(jié)合，設(shè)計(jì)一款具有無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的智能履帶式消防機(jī)器人。通過(guò)文獻(xiàn)研究、市場(chǎng)產(chǎn)品分析，運(yùn)用KJ親和圖法建立消防機(jī)器人功能需求指標(biāo)；通過(guò)問(wèn)卷和訪談法及AHP層次分析法計(jì)算得出各功能指標(biāo)的權(quán)重值，并完成一致性檢驗(yàn)；再通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐法從設(shè)計(jì)定位、設(shè)計(jì)效果圖、結(jié)構(gòu)分析、功能分析、人工智能技術(shù)應(yīng)用、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模塊分析步驟及界面UI設(shè)計(jì)等流程，完成智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)踐。得出消防機(jī)器人需求指標(biāo)目標(biāo)層1個(gè)、一級(jí)指標(biāo)4個(gè)和二級(jí)指標(biāo)13個(gè)，其中一級(jí)指標(biāo)的重要排序?yàn)榘踩?、功能性、智能性和美學(xué)性，消防員對(duì)機(jī)體防爆性、機(jī)體耐火性、爬坡/越障/避障功能評(píng)級(jí)較高，同時(shí)希望具有智能分析火源、規(guī)劃行走路徑、無(wú)人機(jī)巡查等功能。將研究結(jié)論和設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款具有監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的智能消防機(jī)器人，通過(guò)路空兩種模式相互配合，無(wú)人機(jī)可巡查并規(guī)劃路徑、智能分析、定點(diǎn)監(jiān)控和火情報(bào)警等功能，消防機(jī)器人可具有進(jìn)入危險(xiǎn)火場(chǎng)完成滅火和救援等功能。

消防機(jī)器人；AHP層次分析法；監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)；人工智能技術(shù)

多年來(lái)，在與火災(zāi)的斗爭(zhēng)中，消防員總是沖在事故的最前線，不僅會(huì)面對(duì)許多高溫、毒氣、濃煙、爆炸、坍塌等極其危險(xiǎn)的環(huán)境，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)不必要的人員傷亡。消防機(jī)器人屬于極端環(huán)境下的滅火設(shè)備，具有防輻射、遠(yuǎn)程遙控、行走、水炮姿態(tài)控制、滅火等多種作業(yè)功能。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將其技術(shù)應(yīng)用在消防機(jī)器人中，可更加準(zhǔn)確地檢測(cè)和評(píng)估火場(chǎng)環(huán)境，智能分析最佳的滅火方式，實(shí)現(xiàn)生命體征識(shí)別、搜救、精準(zhǔn)滅火等功能。

1 消防機(jī)器人概述

1.1 消防機(jī)器人的市場(chǎng)現(xiàn)狀

消防機(jī)器人按照功能分為履帶式消防機(jī)器人、攀爬式消防機(jī)器人、多功能消防機(jī)器人、大型消防機(jī)器人等[1]。按照運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)又分為包括履帶式、腿式、輪腿式和輪式履帶式等[2]，不同的移動(dòng)方式在不同的應(yīng)用環(huán)境中各有優(yōu)勢(shì)。其中履帶式機(jī)器人可跨越較為復(fù)雜的地面環(huán)境，且滅火噴水作業(yè)時(shí)，機(jī)體可承受較強(qiáng)的后坐力，故市場(chǎng)上應(yīng)用較廣。

隨著1986年日本彩虹五號(hào)消防機(jī)器人的第一次亮相，2012年美國(guó)CHARLI-2消防機(jī)器人在戰(zhàn)艦上服役，目前，國(guó)外的消防機(jī)器人向更智能化的方向升級(jí)，如Boston Dynamics的SpotMini和Atlas機(jī)器人、澳大利亞TAF20消防機(jī)器人、德國(guó)LUF60型雪炮消防車、美國(guó)消防機(jī)器人SAFFIR和日本新款火災(zāi)救助機(jī)器人等。

我國(guó)的消防機(jī)器人多為傳統(tǒng)機(jī)械類，側(cè)重消防功能，對(duì)智能化方面的研究相對(duì)不足。目前，北京凌天、極創(chuàng)科技、寧波華獅等公司已經(jīng)有消防機(jī)器人的成品售賣，一些大型城市的消防部門也開始配置消防機(jī)器人用于實(shí)戰(zhàn)，如洛陽(yáng)中信重工的履帶式消防機(jī)器人、德州力維的智能消防機(jī)器人、上海交大的消防跳躍機(jī)器人等。同時(shí)，一些概念設(shè)計(jì)，如智加設(shè)計(jì)公司的消防機(jī)器人、“赤烈勇士”消防機(jī)器人等使消防機(jī)器人造型和功能更為豐富。國(guó)內(nèi)外消防機(jī)器人設(shè)計(jì)見圖1。

結(jié)合市場(chǎng)上已有的消防機(jī)器人和一些概念機(jī)器人的造型和功能，進(jìn)行市場(chǎng)風(fēng)格及未來(lái)趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)已有的消防機(jī)器人多集中在機(jī)械性和單一功能上，智能化和多功能的消防機(jī)器人相對(duì)較少，市場(chǎng)產(chǎn)品需要進(jìn)一步智能化升級(jí)，見圖2。

圖1 國(guó)內(nèi)外消防機(jī)器人設(shè)計(jì)

圖2 消防機(jī)器人市場(chǎng)風(fēng)格與未來(lái)趨勢(shì)分析

1.2 消防機(jī)器人的技術(shù)研究

國(guó)外消防機(jī)器人的技術(shù)研究從20世紀(jì)80年代就已開始，比較典型的研究有：Zhou等[3]開發(fā)關(guān)聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線算法，以實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人對(duì)外部環(huán)境的探測(cè)功能。Dearie等[4]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款具有環(huán)境感知、導(dǎo)航、探測(cè)的智能消防機(jī)器人。Altaf等[5]開發(fā)具有差分驅(qū)動(dòng)控制、避障、環(huán)境傳感、電路設(shè)計(jì)和導(dǎo)航等功能的消防機(jī)器人。李彬等[6]研究紅外測(cè)距傳感器及遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅饕詫?shí)現(xiàn)距離和火源的監(jiān)控。Parmar[7]使用一種基于火焰模式算法，使消防機(jī)器人可以檢測(cè)火焰位置。同時(shí)，許多研究者應(yīng)用STM32系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的控制，如Ye等[8]和Gao等[9]。Rakib等[10]研究多傳感器火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)(MSFDS)，實(shí)現(xiàn)多傳感器火災(zāi)探測(cè)自主消防機(jī)器人。Raju等[11]利用Arduino UNO微控制器完成雙模消防機(jī)器人的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。Liu 等[12]設(shè)計(jì)了一種緊密結(jié)合的導(dǎo)航定位模型，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)機(jī)器人在煙霧場(chǎng)景中的精確定位。

我國(guó)消防裝備相關(guān)研究部門從1997年開始對(duì)消防類機(jī)器人進(jìn)行開發(fā)和研究，2002年上海交通大學(xué)和上海消防研究所成功完成履帶式、輪式消防機(jī)器人的研發(fā)。隨著機(jī)器人競(jìng)賽興起，對(duì)競(jìng)賽類消防機(jī)器人的研究也較為集中。以ARM9微處理器的消防機(jī)器人研究人員有：李彬等[6]、席文姣等[13]、朱彥亮[14]；基于C51單片機(jī)的智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究人員有：程麗娜等[15]、肖明俊等[16]；基于STM32的智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究人員有：張飛飛等[17]、楊斌等[18]、姚蘊(yùn)珍[19]等。

綜合文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，使消防機(jī)器人在避障、火源定位，遠(yuǎn)程遙控等功能上不斷加強(qiáng)，雖然人工智能技術(shù)已開始在智能產(chǎn)品中應(yīng)用，但在消防機(jī)器人上的理論研究和設(shè)計(jì)實(shí)踐較少。

2 AHP層次分析各功能需求要素權(quán)重

層次分析法是一種將復(fù)雜問(wèn)題系統(tǒng)化的方法，可將復(fù)雜的決策問(wèn)題建立層次結(jié)構(gòu)模型，得出決策方案相對(duì)重要性的排序[20]。本研究在構(gòu)建層次化功能指標(biāo)體系后，通過(guò)訪談?wù){(diào)研，運(yùn)用層次分析法分析消防機(jī)器人的各功能需求指標(biāo)，得出各指標(biāo)權(quán)重值，并完成一致性檢驗(yàn)。

2.1 基于KJ親和圖法建立消防機(jī)器人功能指標(biāo)

KJ親和圖法是將處于混亂狀態(tài)中的語(yǔ)言文字，通過(guò)其內(nèi)在相互關(guān)系加以歸納和整理，然后找出解決問(wèn)題新途徑的方法[21-23]。

消防機(jī)器人設(shè)計(jì)要素的選擇是一個(gè)涉及多層次、多因素、多指標(biāo)等諸多因素的集合。在評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇時(shí)，通過(guò)收集相關(guān)專家和設(shè)計(jì)人員意見，借助KJ法將收集到的資料進(jìn)行歸類，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)要素進(jìn)行補(bǔ)充、篩選。通過(guò)以上分析方法，最終確定消防機(jī)器人層次結(jié)構(gòu)：目標(biāo)層1個(gè)（1消防機(jī)器人功能需求）、一級(jí)指標(biāo)4個(gè)（1智能性、2功能性、3安全性和4美學(xué)性）和二級(jí)指標(biāo)13個(gè)（1智能性包含：1無(wú)人機(jī)巡查、2智能分析火源、3外部環(huán)境分析、4規(guī)劃行走路徑；2功能性包含：5水柱和水霧切換、6無(wú)線遙控功能、7爬坡/越障/避障功能；3安全性包含：8機(jī)體耐火性、9機(jī)體防水性和10機(jī)體防爆性；4美學(xué)性包含：11色彩、12材質(zhì)和13造型。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣并計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

本研究選取20名一線消防員組成決策者，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)用1—9的比例標(biāo)度進(jìn)行兩兩比較，判斷矩陣如下：

表1 一級(jí)指標(biāo)下各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

Tab.1 Weighted value of each evaluation indicator under first-level indicators

表21智能性標(biāo)準(zhǔn)層下各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

Tab.2 Weight value of each evaluation indicator under the criterion layer of intelligence B1

表32功能性標(biāo)準(zhǔn)層下各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

Tab.3 Weighted value of each evaluation indicator under the criterion layer of functionality B2

表43安全性標(biāo)準(zhǔn)層下各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

Tab.4 Weighted value of each evaluation indicator under the criterion layer of security B3

表54美學(xué)性標(biāo)準(zhǔn)層下各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

Tab.5 Weighted value of each evaluation indicator under the criterion layer of aesthetics B4

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值可知，消防機(jī)器人的重要等級(jí)順序分別為3安全性、2功能性、1智能性和4美學(xué)性，即消防員把消防機(jī)器人的安全性和功能性放在首位，在此基礎(chǔ)上希望增加智能性和美學(xué)性。根據(jù)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值可知，消防員對(duì)影響消防機(jī)器人3安全性的10機(jī)體防爆性、8機(jī)體耐火性評(píng)級(jí)較高。在2功能性中需求依次是7爬坡/越障/避障功能、6無(wú)線遙控功能和5水柱和水霧切換。在1智能性需求的先后順序：2智能分析火源、4規(guī)劃行走路徑、1無(wú)人機(jī)巡查和3外部環(huán)境分析。在4美學(xué)性中，13造型重要性遠(yuǎn)大于11色彩和2材質(zhì)。根據(jù)一致性指標(biāo)和檢測(cè)系數(shù)指標(biāo)，值均小于0.1，表明所有的判斷矩陣均通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。

3 智能履帶式消防機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 設(shè)計(jì)定位及效果圖

根據(jù)消防機(jī)器人設(shè)計(jì)要素權(quán)重分析結(jié)果，運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程與方法，應(yīng)用人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能履帶式消防機(jī)器人。該機(jī)器人由消防機(jī)器人主體和監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)組成，適用于高溫、有毒等高危環(huán)境，監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)可生命體識(shí)別、判斷火源和危險(xiǎn)排查，消防機(jī)器人主體可進(jìn)入狹窄空間完成滅火和救援功能，消防機(jī)器人設(shè)計(jì)效果如圖3所示，監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)分離主體工作狀態(tài)如圖4所示。

圖3 智能履帶式消防機(jī)器人

圖4 無(wú)人機(jī)分離主體工作狀態(tài)

3.2 消防機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人主體和監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5，各結(jié)構(gòu)名稱及功能見表6。

3.3 消防機(jī)器人各項(xiàng)功能分析

1）滅火功能分析。消防機(jī)器人的滅火功能主要由消防水炮完成，消防水炮可實(shí)現(xiàn)水的霧化或水直流切換，仰視與俯視角度切換，滿足5水柱和水霧切換功能。水炮采用鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理，耐腐蝕性更強(qiáng)，在面對(duì)墜物與爆炸時(shí)，因水炮與上蓋連接，可有效的防止墜物損傷水炮。

2）運(yùn)動(dòng)功能分析。消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)裝置主要采用履帶式移動(dòng)方式，以三角形的設(shè)計(jì)保證整個(gè)機(jī)體的穩(wěn)固性，在運(yùn)動(dòng)時(shí)避免了輪式移動(dòng)的越障能力低，易造成掛鉤及打滑等缺點(diǎn)?？紤]到惡劣環(huán)境的應(yīng)用，特采用寬大的履帶設(shè)計(jì)，中間有旋轉(zhuǎn)軸，可滿足360°旋轉(zhuǎn)操作，能自由行駛在凹凸不平的地面上，實(shí)現(xiàn)了7爬坡/越障/避障功能。

3）無(wú)人機(jī)功能分析。無(wú)人機(jī)作為消防機(jī)器人的救援輔助，可飛入高空或進(jìn)入屋內(nèi)進(jìn)行生命探測(cè)與危險(xiǎn)排查，熟悉火災(zāi)環(huán)境，并通過(guò)攝像頭圖像處理，實(shí)時(shí)傳輸于指揮處。三旋翼飛行槳置于折疊飛翼下，能夠很好地保護(hù)機(jī)翼不受墜物傷害，紅外探測(cè)儀與LED燈放置于透明燈罩內(nèi)也可以很好地保護(hù)其在復(fù)雜的火災(zāi)情況中不受損傷，本功能實(shí)現(xiàn)1智能性中1無(wú)人機(jī)巡查功能。無(wú)人機(jī)同時(shí)具有火源智能識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火焰進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別判斷，分析出火焰閃爍頻率，坐標(biāo)變化率，面積增長(zhǎng)等特點(diǎn)。通過(guò)第一時(shí)間的識(shí)別與判斷，與地面的消防機(jī)器人進(jìn)行信息同步切換，選取最佳的滅火裝置，及時(shí)準(zhǔn)確救援，同時(shí)通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)2智能分析火源和3外部環(huán)境分析功能，見圖6。

圖5 消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表6 智能消防機(jī)器人各結(jié)構(gòu)名稱及功能

Tab.6 Structure name and functions of intelligent fire fighting robot

4）智能識(shí)別功能分析。消防機(jī)器人具有路線避障識(shí)別及火源定位系統(tǒng)，采用專屬的無(wú)線射頻辨識(shí)體系，實(shí)時(shí)觀察周圍情況，會(huì)采取避撞方案，如地面雜物過(guò)多，則會(huì)采取從雜物上方平坦通過(guò)的方案，以最快的效率到達(dá)指定滅火現(xiàn)場(chǎng)。配合無(wú)人機(jī)調(diào)整消防水炮的傾斜高度及轉(zhuǎn)向，來(lái)確定火源位置與角度調(diào)試，可以極大地節(jié)省救援時(shí)間，滿足3外部環(huán)境分析和4規(guī)劃行走路徑功能，見圖7。

5）結(jié)構(gòu)變換功能分析。由于火源性質(zhì)不同，滅火采取的措施也要隨之變換。消防機(jī)器人后方設(shè)有快插接頭，在內(nèi)部設(shè)有水柱與水霧的切換模式，當(dāng)智能識(shí)別得到應(yīng)采取的措施后，會(huì)迅速切換。上方的消防水炮則會(huì)隨火源的樓層高度的需求進(jìn)行延伸（通過(guò)升降支撐系統(tǒng)、折疊伸縮管及消防炮頭轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作來(lái)實(shí)現(xiàn)），提高滅火效率。無(wú)人機(jī)停息在消防機(jī)器人上方與整個(gè)機(jī)體融合，工作時(shí)兩邊飛行翼會(huì)自動(dòng)張開，向上飛行；任務(wù)完成后，無(wú)人機(jī)會(huì)自動(dòng)識(shí)別，再次飛回到機(jī)器人上方，飛翼會(huì)收到兩臂內(nèi)側(cè)并折疊向下與外殼貼合，進(jìn)入備戰(zhàn)狀態(tài)。

圖6 監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

圖7 消防機(jī)器人水炮設(shè)計(jì)

3.4 操控裝置UI界面設(shè)計(jì)

結(jié)合消防機(jī)器人專業(yè)手持控制器，設(shè)計(jì)操控平臺(tái)的UI界面。消防員可通過(guò)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)消防機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的位置、操作、滅火模式等監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程操控，實(shí)時(shí)了解火災(zāi)場(chǎng)所內(nèi)部情況。如發(fā)現(xiàn)傷亡人員，系統(tǒng)會(huì)識(shí)別人員身份信息，以便更快地進(jìn)行精準(zhǔn)救援。

為了體現(xiàn)科技感，UI界面在配色上選取紅、黑、灰色進(jìn)行搭配。界面上展示消防機(jī)器人所傳送回來(lái)的實(shí)時(shí)火場(chǎng)信息，主要包括：實(shí)時(shí)圖像、隱患排查、氣體數(shù)值、生命值檢測(cè)、火場(chǎng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)置、工作日志、用戶登錄，根據(jù)信息種類，將界面劃分為上下兩部分，滑動(dòng)可切換畫面，重要的部分以文字加以說(shuō)明，放大字體使界面清晰易懂，操控平臺(tái)UI界面設(shè)計(jì)見圖8。

4 人工智能技術(shù)在消防機(jī)器人中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 人工智能技術(shù)應(yīng)用

從輸出系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等方面融入消防機(jī)器人設(shè)計(jì)，可增加自然災(zāi)害的評(píng)估、檢測(cè)，在高危環(huán)境下取代人力作業(yè)，協(xié)助分析和高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估處置等功能[24-25]，見圖9。

1）輸出系統(tǒng)應(yīng)用。人工智能在界面顯示時(shí)，對(duì)采集到的圖像、音頻、視頻進(jìn)行歸納分類，并可針對(duì)性地輸出，如火勢(shì)大小、生命體檢測(cè)、內(nèi)部火災(zāi)情況等，有利于準(zhǔn)確采取救援措施，節(jié)約救援時(shí)間。

2）控制系統(tǒng)應(yīng)用。人工智能可以高效地控制機(jī)器的運(yùn)動(dòng)、功能及交互系統(tǒng)。在消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制上，能進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航到達(dá)指定區(qū)域。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與行走傳感技術(shù)可以跟蹤定位火勢(shì)的發(fā)展蔓延趨勢(shì)。遠(yuǎn)程控制功能可對(duì)火場(chǎng)情況探測(cè)、水炮噴射角度控制、瞄準(zhǔn)功能等進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。交互控制功能可在緊急的救援中采用語(yǔ)音和界面觸屏結(jié)合的方式，大大地節(jié)省時(shí)間。

圖9 人工智能技術(shù)在消防機(jī)器人的應(yīng)用

3）輸入系統(tǒng)應(yīng)用。感知信息輸入可通過(guò)傳感系統(tǒng)對(duì)溫度、視覺、聲音、體感、避障、光敏、超聲波等信息進(jìn)行識(shí)別輸入，保障消防機(jī)器人的運(yùn)行安全與施救作業(yè)。同時(shí)，通過(guò)多點(diǎn)觸摸屏技術(shù)、隱式輸入技術(shù)實(shí)現(xiàn)指令輸入功能。

4）通信系統(tǒng)應(yīng)用。人工智能的優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)無(wú)線通信的方式讓消防機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)作。多采用Wi-Fi、紅外、ZIGBEE通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的智能操控。

4.2 消防機(jī)器人智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)用人工智能技術(shù)，在消防機(jī)器人和無(wú)人機(jī)控制器內(nèi)部安裝有信號(hào)接發(fā)模塊、定位模塊、計(jì)時(shí)模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、警報(bào)模塊等，同時(shí)無(wú)人機(jī)控制器還裝有飛行掃描模塊和障礙分析模塊，見圖10。

圖10 智能消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）信號(hào)接發(fā)模塊用于消防機(jī)器人和無(wú)人機(jī)接收和發(fā)送信號(hào)。

2）定位模塊用于定位消防機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的位置信息。

3）計(jì)時(shí)模塊用于對(duì)消防機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的工作時(shí)間進(jìn)行記錄。

4）飛行掃描模塊用于對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行前方進(jìn)行不間斷掃描。

5）數(shù)據(jù)分析模塊可對(duì)外部的環(huán)境信息進(jìn)行分析。

6）數(shù)據(jù)采集模塊用于采集外部的環(huán)境信息，并將環(huán)境信息發(fā)送至數(shù)據(jù)分析模塊，環(huán)境信息包括外部溫度值、外部濕度值、外部煙霧值、外部光亮值和外部圖像。

7）警報(bào)模塊用于對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行警報(bào)。

8）障礙分析模塊用于接收飛行掃描模塊發(fā)送的障礙信息。

4.3 智能消防機(jī)器人數(shù)據(jù)模塊分析步驟

通過(guò)消防機(jī)器人和無(wú)人機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析模塊，獲取外部環(huán)境的溫度值、濕度值、煙霧值和亮度值，同時(shí)分析火場(chǎng)的火焰顏色判斷火源種類和大小，以此判斷火場(chǎng)環(huán)境和采用何種滅火方式，數(shù)據(jù)分析模塊步驟和計(jì)算方式如下。

步驟一：獲取外部環(huán)境中的溫度值d、濕度值d、煙霧值w和亮度值d。

步驟二：利用公式得到外部環(huán)境值j，具體見式（1）。

式中：1、2、3和4均為預(yù)設(shè)比例系數(shù)固定數(shù)。

步驟三：攝像頭獲取外部圖像的長(zhǎng)度和寬度，計(jì)算得到該外部圖像的總像素點(diǎn)。

步驟四：遍歷該外部圖像得到火焰顏色的像素點(diǎn)，火焰顏色包括暗紅色、紅色、橙色、黃色、藍(lán)白色和白色，計(jì)算得到火焰顏色的像素點(diǎn)占比z[5-6]。

步驟五：結(jié)合外部環(huán)境值j和火焰顏色的像素點(diǎn)占比z，利用公式計(jì)算得到外部環(huán)境的火災(zāi)預(yù)警值y，具體見式（2）。

步驟六：當(dāng)火災(zāi)預(yù)警值y大于設(shè)定閾值時(shí)，生成火災(zāi)預(yù)警信號(hào)加載至警報(bào)模塊中。

5 結(jié)語(yǔ)

借助KJ法篩選消防機(jī)器人需求指標(biāo)，通過(guò)AHP層次分析法研究發(fā)現(xiàn)：消防員對(duì)機(jī)體防爆性、機(jī)體耐火性、爬坡/越障/避障功能評(píng)級(jí)較高，同時(shí)希望具有智能分析火源、規(guī)劃行走路徑、無(wú)人機(jī)巡查等智能功能。

根據(jù)消防機(jī)器人設(shè)計(jì)要素權(quán)重分析結(jié)果，采用監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)與消防機(jī)器人結(jié)合的方式，運(yùn)用人工智能技術(shù)嵌入任務(wù)分配模塊、警報(bào)模塊、飛行調(diào)節(jié)模塊、定位模塊、計(jì)時(shí)模塊、飛行掃描模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)接發(fā)模塊，使路空兩種模式相互配合。無(wú)人機(jī)具有巡查路徑規(guī)劃、智能分析、定點(diǎn)持續(xù)監(jiān)控和火情報(bào)警等功能，消防機(jī)器人可進(jìn)入狹小危險(xiǎn)的火場(chǎng)，智能化確定火源種類，配合無(wú)人機(jī)調(diào)整消防水炮的傾斜高度及轉(zhuǎn)向，可以大大地節(jié)省救援時(shí)間。

盡管目前消防機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但依然面臨著很多技術(shù)瓶頸。隨著人工智能技術(shù)在消防機(jī)器人中的不斷應(yīng)用，將來(lái)消防機(jī)器人可完全替代消防員在火災(zāi)危險(xiǎn)的區(qū)域完成滅火和救援任務(wù)。

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Research and Design of Intelligence Crawler Fire Fighting Robot Based on Analytic Hierarchy Process

HOU Jian-jun, MAO Yi-chao, CHEN Li, CHEN Wen-min

(College of Art and Design, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

The work aims to design an intelligent crawler fire fighting robot with unmanned air vehicle (UAV) monitoring functions in virtue of artificial intelligence (AI) technology and fire fighting robot function in order to define the functional demand indicators of the fire fighting robot. Functional demand indicators of the robot above were defined by literature research and market product analysis in virtue of KJ affinity graph. The weighted values of all functional indicators were calculated by questionnaires, interviews and analytic hierarchy process (AHP), and consistency test was completed as well. Then the design practice of the robot was completed from such processes as design positioning, sketch design, structural analysis, functional analysis, application of AI technology, design of intelligent control system, steps of data module analysis and design of interface UI, etc. via the design practice method. 1 target layer, 4 first-level indicators and 13 second-level indicators of demand indicators of the robot are obtained. To be specific, the priority ranking of first-level indicators is safety, functionality, intelligence and aesthetics. Firefighters give high ratings on the explosion resistance, fire resistance and functions of climbing, obstacle crossing and avoidance of the robot. They also show expectations on intelligent functions of the robot, such as intelligent analysis of fire sources, planning of walking paths, and UAV patrol check, etc. At last, an intelligent fire fighting robot with UAV monitoring function is designed by combining the research conclusions and design practice. In virtue of the land and air modes, the UAV is capable of patrol check, path planning, intelligent analysis, fixed point monitoring, fire alarm, etc. as well as fire extinguishing and rescue.

fire fighting robot; analytic hierarchy process (AHP); monitoring UAV; artificial intelligence technology

TB472

A

1001-3563(2023)10-0172-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.10.017

2022–12–05

2023年江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目；2022教育部人文社會(huì)科學(xué)青年基金項(xiàng)目（22YJC760024）；江蘇高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究重大項(xiàng)目（2022SJZD115）；南京工程學(xué)院高等教育研究課題重點(diǎn)課題（2023GJZD03）；南京工程學(xué)院研究生教育教學(xué)改革一般課題（2023YJYJG08）；南京工程學(xué)院研究生教材建設(shè)（2022JC09）

侯建軍（1983—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、人工智能。

責(zé)任編輯：陳作