消防灭火机器人的发展现状及展望综述

尹海阳 龙小玉 肖飒 付天宇

摘要：随着国内仓储行业自动化、智能化、无人化的发展，消防安全问题成为无人化仓储亟待解决的问题之一，为早日建成无人化仓储，消防机器人在这一领域的应用越来越迫切。从消防灭火机器人的发展情况、结构组成、导航方式及智能化发展现状四方面进行介绍，并对消防灭火机器人存在的问题和发展趋势进行了探索。

关键词：消防灭火机器人；发展现状；存在问题；发展趋势

中图分类号：D631.6       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）01-0016-04

消防控制机器人属于防爆移动智能机器人的范畴，根据其功能的不同可划分为消防灭火机器人、消防排烟机器人、消防防爆机器人、消防救援服务机器人及消防无人机等。由于消防灭火机器人同时具备监测和灭火功能，可被用于仓储行业，实现真正意义上的无人智能化仓储，它可沿既定路径进行运动，同时根据指令实时修正运动路径，以实现指定位置的消防灭火功能，进而使无人化仓储的消防安全得到保证。

1 消防灭火机器人的发展概况

美国和苏联是世界上最早开展消防机器人研究的国家，随后英国、日本、法国、德国等国家也相继开始对该技术进行研究。我国消防机器人的发展紧随其后，第一台消防灭火机器人于1995年由公安部上海消防科学研究所制造成功。2002年，公安部上海消防科学研究所、上海交通大学及上海市消防局共同承担了国家863工程，最终研制出了履带式、轮式灭火机器人，该消防机器人具有行走、攀爬、跨越障碍物、灭火和探测火场等功能。随着消防机器人技术的不断发展，消防机器人企业相继成立，消防机器人产品逐渐进入市场，中国消防机器人技术行业从早期探索研究阶段逐步迈入初步发展阶段。

消防机器人问世以来经过四十多年的发展，其技术已经日趋完善，目前我国也有大批高校和科研单位从事消防机器人研究工作，且国内一些有实力的企业也有能力研发生产消防机器人。现在的消防灭火机器人不光具备灭火功能，还可以进行探测、除尘及信息传递 [1]。

2 消防灭火机器人的结构

消防机器人的结构从整体上来说分为本体系统、移动系统和灭火系统，在灭火过程中每个系统都发挥着至关重要的作用。移动系统通常由控制系统和行走系统构成，可以通过对消防环境的分析计算出最佳的消防路径，使消防机器人最快到达火灾现场。灭火系统一般采用自动喷水或高压气体发射灭火弹的手段实现快速灭火救援的目的[2]。

2.1  本体系统

消防灭火机器人通常需要具备防爆功能，其本体系统多数情况下采用耐高温、防爆防水及低重心设计，它是消防灭火机器人的基础构成之一，是其他系统总成安装的基础。本体系统主要指消防灭火机器人的本体框架，一般需由高密度、高熔点的金属组成以保证载体承重和耐久程度，并满足消防工况工作需要。

2.2  行走系统

消防灭火机器人的行走系统通常分为两种，一种是车轮式行走系统，另一种是履带式行走系统，主要由移动载体和驱动系统组成。移动控制系统发出命令，驱动系统接收命令，从而使消防灭火机器人通过移动载体沿确定的轨迹和速度到达指定的目标点进行灭火作业。消防灭火机器人的行走系统需具备移动速度快、机动性强的特点，近年来出现的麦克纳姆伦极大地提高了消防灭火机器人的环境适应性、机动性及消防作业的快速性。

2.3  控制系统

消防灭火机器人的控制系统包括信息传输处理系统和移动控制系统，信息传输处理系统包括红外探测、实时影像采集等系统，保证可在第一时间发现火情并命令移动控制系统进行工作。移动控制系统主要实现自动导航和避障功能，在发现发生火情后，移动控制系统使消防机器人可通过局部或全局定位的方式对火灾现场的火源进行定位，随后根据自己的位置进行计算，选择最佳的路线进行火情处理；自动避障功能主要由传感器实现，一旦传感器感应到前方有障碍物，移动控制系统就会以最快的速度对障碍物进行评估，进而命令消防灭火机器人进行下一步动作。

2.4  灭火系统

灭火系统主要有自动喷水或灭火炮弹两种灭火形式，采用自动喷水的灭火系统一般由喷头、伸缩杆、水泵和储水设备组成，在消防机器人通过控制系统到达火灾的火源位置时，伸缩杆调整喷头位置，使喷头对准火源进行喷射，水柱大小经水泵调整，使其更快地熄灭火源；采用灭火炮弹的灭火系统通常由弹仓、弹丸发射装置及底座构成，弹丸发射装置使用高压气体给弹丸提供动力从发射管射出，底座上的舵机控制发射管角度，发射管中的直流无刷电机带动摩擦轮转动，使用光电对管检测在弹舱出口处与发射管入口处是否存在弹丸，从而控制是否上弹[3]。

3 消防灭火机器人的导航方式

消防灭火机器人要完成灭火作业，必不可少的就是自动导航功能，消防灭火机器人的导航方式主要有固定方式导航、惯性导航、激光导航、视觉导航及融合导航五类，但因环境适应性有部分方式未达到商业化的程度。

3.1  固定方式导航

固定方式导航是通过在地面固定消防灭火机器人所需检测的信号，从而使其沿固定路径进行运动，其中具备代表的方式大致为磁导航、二维码导航、坐标导航等，因固定导航方式使得消防灭火机器人的机动性和灭火作业实时性较差，因此在消防機器人的发展史上过早地被淘汰。

3.2  惯性导航

惯性导航是利用陀螺仪可以得到消防灭火机器人的三轴角速度和加速度，从而换算成消防灭火机器人当前的坐标和方向，将它们和规定的路线相比较，对速度值和规定值的矢量差进行二次积分得到偏差值，进而将其作为纠正行驶方向的依据。惯性导航定位准确性高，灵活性强，兼容性好，但制造成本相对较高，导引的可靠性直接依赖陀螺仪的可靠性，因此常被用于军工行业。而民用时由于采用的陀螺仪可靠性不高，随着陀螺仪本身使用时间的延长，其误差会累积，这也导致在民用领域惯性导航往往作为其他导航方法的辅助手段。

3.3  激光导航

激光导航的原理是消防灭火机器人定位火源后构建火源和消防机器人的位置，采用雷达激光扫描以点射方式发出射线，激光在遇到物体时会反射回来，通过激光反射回来的时间计算出自己位置与物体之间的距离，因此目前多用激光方式进行轮廓导航。该技术利用二维激光扫描仪测量和学习场景环境（墙壁、柱子以及其他固定物体等），从而绘制导航环境，进行多次测量分析，对地图进行修正，根据场景环境测量分析结果实时更新位置，进而实现轮廓导航功能，但该方法对激光传感器要求较高，且不能适用于高反射率的物体。

3.4  视觉导航

最开始的视觉导航是通过消防机器人的实时影像传输系统来实现火源定位，通过不同角度的图像和预留导向标记，不断传输图像，与自己的位置进行比对，不断分析和计算直到抵达火源附近，但该导航方式对光线有较严格要求。现在通常所说的视觉导航是一种基于SLAM算法的导航方法，它是通过车辆视觉摄像机采集行驶区域的图像信息，并通过对图像信息的处理进行定位和导航。视觉导航具有灵活性高、应用范围广等优点，但目前技术成熟度不高，利用车辆视觉摄像机快速准确进行地标识别技术仍处于瓶颈阶段。

3.5  融合导航

导航技术正朝着更高的灵活性、更高的精度和更强的适应性方向发展，对辅助导航标志的依赖性将会越来越小，多传感器结合的融合导航方式无疑是未来的发展趋势。虽然目前个别消防灭火机器人采用激光和视觉导航相结合的方式，双管齐下，弥补了单个导航方式的不足，但消防灭火机器人还是不能完全适用于各个环境场景。相信在不久的将来，随着大数据、AI、云计算等技术与机器人更深入的交互融合后，会给消防灭火机器人行业带来前所未有的变化，而随着多学科的发展交融，未来消防灭机器人的导航技术必将更加先进。

4 消防灭火机器人的智能化发展

随着美国、日本等国际巨头消防灭火机器人的发展，让我们意识到新制造、新硬件的时代已经来临。我国的消防灭火机器人大多是以程序控制为主要技术发展的，所以我国消防机器人智能化发展空间巨大[4]。纵观消防灭火机器人发展史，大致可分为人为控制、半智能化控制及全面智能化控制三个阶段。

4.1  人为控制

人为控制阶段主要集中在消防灭火机器人发展的初期，大都使用远程手动控制或固定程序控制，消防机器人按照人为指令或编译的确定程序进行工作，该方式自适应能力较低，对现场环境的监测、感应能力具有局限性，对火情处理的及时性较差。

4.2  半智能化

目前我国的消防灭火机器人基本处于半智能化控制的阶段，其控制方式主要是通过对传感器、蓝牙等感知技术的研究，将其应用在消防灭火机器人上，使消防灭火机器人具备基本的感知功能，大大提升了消防灭火机器人的自适应能力，对火灾的监测和定位更加精准，特别是对传感器技术的引入，使消防灭火机器人的发展有了质的飞跃，为消防灭火机器人实现整体智能化奠定了基础。

4.3  全面智能化

全面智能化消防灭火机器人将不需要操作员的控制，操作员只需要将本次消防任务的目标进行设定，消防灭火机器人即可自动对消防现场进行观察和分析，在火情发生初期快速计算分析出最快且损失最小的解决方案并实行，这对于传感器技术、物联网技术、电子技术等要求很高，所以我国在致力于发展消防灭火机器人的同时也未停止对这些技术的研究和探索。

5 消防灭火机器人存在的问题

虽然消防灭火机器人经过近四十年的快速发展，但其还是存在多种不足和问题，需要科研人员进一步对其进行研究创新。

5.1  智能化程度低

我国的科技发展相比于欧洲发达国家，在传感器与测量方面技术还有欠缺，特别是精度问题难以达到标准，以至于我国的机器人发展在一定程度上稍逊于欧洲发达国家。人机交互性不够，消防灭火机器人往往只能对单一影响因素进行分析判断，不能完全掌握环境变化的情况，研制出的消防灭火机器人往往只针对某一特定的危险状况，通用性不强，在恶劣的环境下很难完全代替消防人员[5]。

5.2  可靠性不高

国产的零部件在性能、可靠性及使用寿命等多个方面难以达到使用要求，所以，消防灭火机器人使用的关键零部件主要依靠进口，如果损坏需要大量的时间和金钱修复。同时，消防灭火机器人的保养维护程序较为复杂，且国内生产的厂家没有统一的标准，质量参差不齐。

5.3  造价高昂

由于消防灭火机器人属于高等学科知识和各项先进高新信息技术的集合体，导致其研制经费较高，且生产企业数量相对较少，进而造成市场价格普遍昂贵，无法大量配备至消防队伍。

6 消防灭火机器人的发展趋势

消防灭火机器人离不开科学技术的发展，将先进的技术融汇于消防灭火机器人，使其不但可以优先监测到火灾的每项数据，预测可能发生的火情，而且可以在极端危险的情况下代替消防人员进行救援，保证了消防人员的生命安全。

6.1  多传感器的集成与融合

以运行在未知或动态环境中的多传感器系统作为研究对象，集成与融合的方式将成为研究的热点。处理不确定信息的数学工具也將在研究过程中发挥重要的作用，例如人工智能和神经网络方法将是继续研究的重点，人工智能方面的研究将在传感器的选择和自动任务误差检测与恢复以及模型感知建立等领域发挥更积极的作用，而神经网络会在目标识别和多传感器控制系统鲁棒性设计两个领域成为决定性的因素之一。

6.2  复杂危险环境的模型建立与火情预测

表征因素识别。使用火情过程中可识别的物理或化学因素，例如火情导致的火焰、烟雾等，分析火灾引起温度的变化、空气中有害气体浓度的变化，以及火情与相关因素之间的作用机理，确定关键因素，从而得到复杂危险环境的表征因素。

局部模型建立。通过研究各种可识别的环境表征因素，确定各表征因素对环境影响的模型，经过剖析多类别传感器对环境的测量结果，利用各表征因素对环境影响模型进行修正，构造局部复杂危险环境模型。

整体模型建立。通过研究局部、整体两种复杂危险环境之间的相互影响机制，建立局部、整体环境的基本模型，再融入局部复杂危险环境中的表征因素影响，从而建立出整体复杂危险环境的模型。

火情预测。由于环境的发展和变化与初始状态、引起原因及外界条件息息相关，根据已经建立的整体环境模型，分析环境中表征因素的变化情况，预测可能发生的火情。

6.3  多机器人协作

由于火灾的不可控性和多样性，单一的消防机器人完成多场景下灭火和救援的可能很小，需持续研究多种消防机器人协作，以便早日实现机器人消防的愿景[6]，多消防机器人协同工作目前基本处于理论研究阶段。但得益于大数据的发展，多机器人系统的研究也可向前再次迈进，关于多机器人系统的进一步研究方向主要有：体系结构和协调制度以及复杂环境下多机器人之间的通信、信息传输及交互和冲突消除等。

7 结语

消防滅火机器人是一个综合性交叉学科研究项目，主要涉及材料、机械、控制、环境科学和安全工程五个学科。近年来，消防灭火机器人研究快速发展，特别是在人工智能的研究背景下，我国消防灭火机器人的技术水平得到了很大的提升，使真正意义上的无人智能化仓储业初步具备实现的各种条件，但我们要认识到消防灭火机器人研究中依然存在各种各样的问题。在无人智能化仓储的实现中消防灭火机器人的研究也越发重要，消防灭火机器人的不断发展必将为我国仓储业的无人智能化发展提供源源不断的动力。

参考文献：

[1]华滨.消防机器人市场的现状与未来[J].中国安防，2018（11）：49-52.

[2]张晋.消防机器人结构设计及其控制系统研究[D].天津：河北工业大学，2015.

[3]孙启尧，尹伦海，赵旭，等.全向移动侦察消防机器人[J].辽宁工业大学学报，2020（5）：286-289.

[4]党海昌.消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析[J].消防技术与产品信息，2016（3）：69-71.

[5]李明璐，尹艺玲.智能消防车的发展研究现状[J].装备制造技术，2019（6）：225-228.

（下转第24页）（上接第18页）

[6]彭小清.消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析[J].今日消防，2019，4（12）：18-19.

A review of the development status

and prospect of fire fighting robots

Yin Haiyang， Long Xiaoyu， Xiao Sa， Fu Tianyu

（School of Information Engineering， Xijing University， Shaanxi Xi'an 710123）

Abstract：With the development of automation， intelligence and unmanned in the domestic warehousing industry， fire safety has become one of the urgent problems to be solved in unmanned warehousing. In order to build unmanned warehousing as soon as possible， the application of fire fighting robots in this field is becoming more and more urgent. The paper introduces the development situation， structure composition， navigation method and intelligent development status of fire fighting robots. The existing problems and development trends of fire fighting robots are explored.

Keywords：fire fighting robot; development status; existing problem; development trend