消防机器人在灭火救援中的研究

谢永利

（青岛市消防救援支队，山东 青岛 266019）

0 引言

随着科技的发展，技术水平的进步，各个领域均在大力寻求可以提高生产效率的新型技术。然而在现阶段，智能化科学技术也推动了进步，机器人即为人工智能技术的产物。在消防救援的过程中，使用消防机器人可以最大限度地提升灭火作业的效率，为消防人员的安全提供稳定可靠的保障。

1 消防机器人的基本概念及应用特点

相关工程技术人员如果要在一类任务中充分发挥某种新型技术的全部优势，就需要对相关基本概念全面地掌握并理解，这样操作就可以精准地把握相关技术的使用方法，通过科学合理的方式体现该技术的重要作用。

1.1 消防机器人的基本概念

消防机器人的基本概念是在消防灭火救援的进程中所应用的机器人是一类具备特殊功能的机器人，消防机器人的产生为消防灭火救援任务的顺利开展创造了全新的工作理念，同时也为保障相关消防救援人员的生命安全提供有利保障。

1.2 消防机器人的主要类型

消防机器人的主要类型有机械手臂形式、救援拖斗形式及行走系机器人3种。机械手臂机器人的主要结构是机械手臂，机械手臂的使用能够迅速将相关阀门打开，采用科学的方法去捕捉特定的目标，甚至可以对被困人员进行抢救。救援拖斗消防机器人在消防灭火救援过程中充当担架的角色，当机械手臂消防机器人把受伤人员放置在救援拖斗消防机器人上面的时候，此时，相关消防机器人就开始工作。行走系消防机器人的结构主体为履带式行走机器人。相关工程技术人员全方位掌握了消防救援机器人的主体构造，使所有种类消防救援机器人都可以最大程度地发挥其功能[1]。

1.3 消防机器人设计与开发

该类机器人的设计框架结构中包括组成消防救援体系的关键要素——多类型的传感装置、电气装置、电源装置、DC电机及其驱动单元装置。为此，该消防救援装置中最核心的是微型控制模块。各部分装置通过微控制装置的协调作用构成一个统一完整的系统装置，该系统的结构框图如图1所示。其中蓝牙模块、火焰传感器及超声波传感器属于探测部分；GSM模块、伺服电机及报警电路属于驱动部分；机器人主体结构由水泵、泵驱动板、微控制器、电机驱动板及电机构成，探测部分负责探测相关的火情信息，驱动部分负责根据相应指令，向微控制器发出相应信号，微控制器根据上述信号操控机器人的各个系统，做出各类动作。在总体设计的开发过程中，设计人员需要多次进行试验，验证各个相关系统之间的协调性，满足及其人主体框架所有相关功能的完整性及运行的平稳性需求。

图1 系统的结构框图

微控制模块集中协调全部的传感装置和制动装置间的动作及联系。2个DC电动机负责驱动机器人装置的2个滚轮；移动通信网络系统可以精确捕捉机器人当前的位置信息；蓝牙系统主要负责与机器人进行通信；超声波类型的传感装置用于探测并且提示机器人及时避开路线上的障碍物，火焰传感装置用来探测现场火情；电机及泵驱动踏板分别控制电动机及泵装置。

1.4 系统的硬件设计

1.4.1 Arduino MEGA 2650 系统开发板介绍

该设计应用Arduino系统开发板，这是因为其能够方便快捷地转移相关程序。Arduino系统自带56个数字参数输入/输出端口，配备18 MHz频率的晶振单元，另外还有Arduino与电脑相连的端口，直接安置在相关的功能模块中。根据研究工作的需要，可使用串行总线将Arduino系统连接到笔记本电脑，对其进行编程操作。集成Arduino开发环境是基于C语言进行运行的。系统流程如图2所示。在该过程中，系统初始状态首先对探测装置发出的蓝牙信号进行寻找，其次进行超声波传感器信息的检测，最后对火焰传感器信号进行检测。如果系统侦查到障碍物，需要对行进系统进行调整，没有则继续前进；如果系统发现火情，就发出报警信号，随后向火焰方向前进，到达设定位置开启水泵进行灭火操作，如果没有发现火情，则继续前进。上述过程循环进行，直到灭火任务圆满完成。

图 2 系统流程

1.4.2 火焰传感装置单元模块

火焰传感装置用于识别热能并且向微控制单元发出警示信号。为防止传感装置受损，机器人不宜距离起火源头过近。改装置配备1个电位计用于调整系统的灵敏程度。该模块的核心部件是火情探测的部分及具有数字输出能力的比较器装置部分。火情探测的单元的功能是向微控制单元传送相关信息。

1.4.3 超声波传感装置单元模块

人类通常能听到20 Hz～20 000 Hz频率区间的声音，假如依靠人类自身听力，探测的信息范围比较有限。如果使用超声波传感装置，捕捉的频率范围将加大。其原理类似测量装置，借助回波数值的识别，来测定距离。

1.4.4 移动通信系统单元模块

全球定位通信系统的单元模块/GSM指的是一个芯片组，主要作用是在移动终端设备或者其他机器设备与全球定位通信系统或者全球定位通信系统间进行有效地通信。电子装备是关键的组成部分，一般会根据实际需求，借助微控制单元或者是电脑相关接口。全球定位通信系统的电子装备在交易活动终端设备、保护功能的程序中均包括数量众多的选择数据包。

1.4.5 伺服电机单元

伺服电机的使用在移动类型的机器人、无人驾驶飞机或者无人驾驶汽车中得到了广泛的应用。伺服电机系统的设计目标尺寸精度范围由微型直到工业领域的大型区间。伺服电机系统生成信号，可以输出轴所在的相应角度信号。

1.5 消防机器人的优点及缺点

消防机器人的优点是该装置能够代替消防救援人员完成某些难度较大、危险系数较高的救援任务，例如在缺氧含量较低、浓烟及有毒有害气体的环境之中，消防机器人依旧能够完成相关消防灭火救援任务，有效降低消防救援人员的伤亡概率，还可以为消防灭火救援工作争取非常宝贵的时间。在消防灭火救援的进程中，有大量工作具有明显的重复性，假如要求消防救援人员持续进行相关工作，不仅会造成人力及物力不必要的浪费，还会影响消防灭火救援任务的执行效率。因此，在相关状况下合理使用消防机器人，让它们去执行机械的重复劳动，确保整体消防救援工作的顺利开展。特别是消防机器人具有可操作性优良的特性，只要在特定的周期内对它们进行全面的维修及保养，就能够最大限度地发挥消防机器人的优势，为消防救援人员的工作减轻相应的负担[2]。

消防机器人的缺点是制造成本高。在许多经济欠发达地区，很少会使用消防机器人进行灭火救援工作。消防机器人只在经济较为发达的地区才可以得到推广及应用。从本质上来说，消防机器人是一类非常特殊的机器人，在设计制造过程中不仅需要消耗较多的人力及物力，而且还增加了制造成本。因为相关工程技术人员在设计制造进程中，一些技术还不符合相关消防机器人的设计使用要求，所以消防机器人的最终成品产量较低，而且销售价格非常高。消防机器人在应用过程中，还需要配备相关的售后服务人员对其进行周期性的维护及保养，使消防机器人可以在执行消防救援任务的过程中全面体现出具备的优点。因为消防机器人是一类科技含量较高的复杂装置，所以对进行维修保养的技术操作人员的专业水平要求较高，他们需要掌握消防机器人的总体结构，这样才可以保证他们在消防机器人维修保养工作的过程中，能够有明确的目标及方向。总而言之，消防机器人的应用是一种利大于弊的行为，可以提高消防灭火救援任务的执行效率。

2 消防救援任务中应用消防机器人的重要意义及实际应用

2.1 消防救援任务中应用消防机器人的重要意义

由于我国的火灾事故近年来频繁发生，消防领域的工作越来越受到社会各界的普遍关注。假如开发出一种能辅助消防灭火救援任务的技术，就可以为消防人员的生命安全提供更大的保障，这已经成为消防领域中的重点关注课题。消防机器人的应运而生为消防救援任务带来了一种全新的工作执行模式，在现代消防灭火救援过程中发挥了非常关键的作用。在火灾现场环境非常恶劣的情况下，消防人员灭火救援工作的过程将会面临极大的困难，必须要处于高温并且有毒有害气体浓度较大的环境中，严重威胁了消防人员的生命安全。这种情况下应用消防机器人进行作业，可以最大限度地解决该问题，机器人可以代替消防人员进行某些危险的工作，并能在紧张的消防救援过程中争取到宝贵的时间，确保救援任务顺利开展的时效性及科学性。在消防灭火救援任务执行过程中，消防机器人的应用还能够鼓舞消防人员的士气，使其安全感得到提高，由于消防机器人的科学应用可以推动灭火救援任务的安全实施，因此能够平稳消防人员的心态，可见，消防机器人在消防灭火救援任务执行过程中起到了重要的作用。

2.2 在消防救援任务中应用消防机器人

2.2.1 在高层建筑物灭火任务中的实际应用

现阶段，高层建筑物是国内建筑的主流形式，一旦在高层建筑物中出现火情，由于主体结构等原因的制约导致火势蔓延较快，并且被困人员的撤离、救援灭火等任务的实施难度比较大。其表现为由于建筑物过高，因此消防车配备的云梯不能达到实际灭火救援工作的要求，并且消防员在攀登高度方面也存在一定的限制；除此以外，高层建筑物出现火情后烟气及有毒有害气体很难及时排放，灭火用水水位和供水量也很难达到相应的要求。为此，将消防机器人装备投入消防救援的任务中，可以依靠消防机器人的各类功能优势来应对相应的困难，相关设计人员在开发消防机器人的进程中，需要综合考虑高层建筑物主体结构的特点，保证消防机器人具有完善的灭火系统，并可以上下楼，能够对火情现场状况进行分析和反馈，并且可以针对被困人员进行救援。

2.2.2 在地下建筑及地铁通道中的实际应用

地下空间通常为相对封闭形式的模式，如果出现火情，相应空间内的温度就会快速上升，并且烟雾及有毒有害气体的浓度也会相应提高，这种情况对于消防人员进行救援工作造成了极大的困难，火灾现场内的消防人员的安全面临较大的威胁。在相关领域中使用消防机器人，可以解决地下建筑结构内部灭火救援任务中出现的难题，将该类火情导致的伤亡以及财产损失降到最低。在地铁系统的隧道中，对于突发的火情设定了严格的解决方案，地铁车辆及隧道内部设计可以完美应对火灾，然而，隧道内一旦出现火情，灭火和救援任务执行的难度极大。此时，将具备攀爬能力的消防机器人应用于地铁中或作为地铁站内部的消防装备，能够确保及时进行高效的灭火救援任务。

2.2.3 在石油化工等高危场地中的实际应用

从某地的化学物品爆炸事故中可以看出，在存放石油等危险产品的场所中，如果出现火情，可能带来爆炸的风险，此时消防人员很难安全地进入现场，执行快速有效的消防救援任务，执行任务的危险性非常大。在相关领域中应用消防机器人，可以大幅度减少消防人员的伤亡和损失，为迅速进行救援、防止火情的恶化提供进一步保障。

3 消防机器人在消防灭火救援任务中的实际应用策略

3.1 在执行密闭空间以及地下室内部采取消防灭火救援行动

一旦在地下空间或是相对密闭的空间内发生火情，便有可能在较短的时间内出现大量浓烟聚集的现象，且上述浓烟及有毒有害气体很难顺利排出，因此会严重威胁空间内全部人员的生命安全。所以，在该种情况下，救援任务无法顺利进行，消防人员生命及健康也很难得到保证。近年来，密闭空间内执行救援任务牺牲的消防人员为数众多，通常均为密闭空间内出现窒息情况而导致的。然后，在该种状况下应用消防机器人就能够妥善地应对相关问题，这是因为即使在充满浓烟及有毒有害气体的密保空间内，消防机器人也能够正常工作和执行救援任务，还能够利用本身配备的高清摄像头，给相关消防人员提供密闭空间内部情况的清晰影像，以确保指挥人员能够迅速制定消防灭火救援的策略，并且实时向机器人发出适当的工作指令，用来提升消防灭火救援任务执行的效率[3]。

3.2 特殊情况下的消防灭火救援任务

通常来讲，低温及高温的情况均会对消防灭火救援任务的推进造成阻碍。在某些气温较低的情况下，会出现气体燃烧的问题，发出大量有害的物质，大幅度增加了消防救援任务的困难。因此可以利用机器人携带的大功率排烟设备，排除有害气体，保证现场的能见度，保证后期灭火任务的顺利开展。

4 结语

综上所述，消防机器人在灭火救援任务中的前景广阔，它既可以减少消防人员的伤亡，还能增强消防任务的执行效率。该文首先介绍了消防机器人的基本概念，其次其重要性，最后研究了消防机器人在相对密闭的空间、高层建筑物以及特殊情况下的实际应用，方便相关人员能够科学地应用消防机器人。