基于消防机器人的救援辅助系统的研究
【摘要】通过对消防机器人使用现状的分析，结合目前消防部队的救援通信指挥网，提出了一种基于消防机器人的救援辅助系统，给出了救援辅助系统的各个组成部分，并分析了救援辅助系统的应用范围和优劣，为消防机器人与现有通信指挥网相结合进行团队化工作提供了一个新的方向。
【关键词】消防机器人；灭火救援；辅助系统；通信指挥
1引言
机器人技术最初起源于军事领域的战场侦察、战场清扫等，在20世纪80年代以前就有人开始从理论上对机器人应用于灾害搜救工作进行了探讨。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展，消防机器人在我国也开始进入到各项消防工作中，上海消防科学研究所自主研发的我国第一代消防机器人已经在消防部队装备使用。通过对现有消防机器人的使用状况进行分析可以发现，消防机器在各项救援工作中仅是作为一种单一的救援工具，而这种使用方式很难充分发挥消防机器人的能力，现今的消防机器人技术正向着多机器人协作的方向发展。
灭火救援工作是在指挥中心统一指挥下进行的，如果将不同功能的消防机器人结合起来并与现有的消防指挥信息网相结合，可以充分发挥消防机器人的作用。笔者在这里提出一种基于消防机器人的救援辅助系统，本套系统可以充分融入到现有的救援通信指挥网，极大的提高人与机器之间的协作配合能力。
2救援辅助系统的组成
基于消防机器人的救援辅助系统是一套以消防机器人为核心，用来辅助消防队员开展各项救援工作的系统。它由消防机器人、消防机器人后场控制台和救援指挥中心三部分组成，图1为基于消防机器人的救援辅助系统与救援通信指挥网结合后的作战模式。
2.1消防机器人
在整个救援辅助系统中，消防机器人是完成救援工作的主要部分。在救援现场，消防机器人独立或者协同消防队员完成各项救援任务，主要由三类不同特征的消防机器人承担对应的救援任务。
1）飞行机器人。目前的飞行机器人有固定翼机器人、旋翼机器人和高空气球机器人等，其主要进行火场过火面积测量、火势预测、救援人员和车辆的定位、高空投递自救器材等工作。
2）搜救机器人。搜救机器人有轮式机器人、履带式机器人和仿生机器人等，可以完成火场内部对消防队员的器材和装备支援、在火场内部进行人员搜索、现场临时医疗救助、危险品事故现场监测处置、危险建筑内部搜救等工作。
3）灭火机器人。灭火机器人主要为搭载水炮、泡沫泡等灭火剂喷射器具的机器人，其任务是代替消防员进行灭火剂近距离喷射，同时可以监测火场内部情况。
2.2消防机器人后场控制台
消防机器人后场控制台是负责连接消防机器人和救援指挥中心的部分，在本套系统中它需要完成对现场使用的机器人进行统一的监控和操作等工作。随着救援机器人的发展，救援机器人不再依靠单一传感器的来完成对环境的感知，而是通过多传感器信息融合完成认知和适应的，目前救援机器人在工作中用到的一个重要技术就是多传感器信息融合技术。
由于多种传感器技术得到广泛的使用，如激光测距仪、视觉传感器、热成像仪、有毒气体探测器等不同种类的传感器在消防机器人上会大量的应用，这使机器人传回后场的数据种类繁多，而且各消防机器人在使用中还需要做到数据之间的相互通信和共享。这就需要各个消防机器人先通过有线或者无线的方式将自身状况和火场信息先传输给后场控制台，由后场控制台对这些信息进行筛选后上报给救援指挥中心并实现各机器人之间的数据共享。同时，后场控制台接收来自救援指挥中心的命令，并将命令转化为机器指令传输给消防机器人执行。
2.3救援指挥中心
救援指挥中心是实现消防机器人救援辅助系统和救援通信指挥网相结合的主要部分。消防机器人在救援现场通过各种传感器采集到的火场温度、建筑物结构强度、有毒气体浓度等现场实时信息，通过后场控制台发送给救援指挥中心。救援指挥中心结合救援现场实际情况对这些实时信息做出分析判断后，通过消防机器人救援辅助系统和救援指挥信息网分别向消防机器人和消防队员下达作战指令，实现消防机器人和消防队员相互协作参与灾害救援，使机器与人达到一个最佳的组合工作状态。
3救援辅助系统的应用
基于消防机器人的救援辅助系统可以应用到灭火救援和地震救援等各项消防工作中，由于其可以从现有救援通信指挥网独立出来完成工作，所以更加有利于在各项消防工作中指挥调度，图2为其在火灾救援中使用的一个例子。
3.1救援辅助系统的应用范围
1）火灾救援。在各种火灾扑救工作中，基于消防机器人的救援辅助系统可以在失火建筑内部情况不明时，由搜救机器人独立或者辅助侦查人员进入火场，通过消防机器人上的各种传感器对火场内部温度、过火面积和燃烧物质种类进行监测，同时在烟雾较大的情况下利用机器上的热成像设备查找被困人员方位，并为现场搜救人员提供简易的救助设备。灭火机器人负责在消防队员无法作战的高温危险区域进行近距离灭火作战，同时实时监控失火建筑的结构强度，由于机器人可以在忽略其部分自身安全性的条件下在消防人员无法工作的特殊地点进行灭火救援工作，这极大程度上提高了其在灭火救援工作中的战斗力。高空机器人在灭火救援的过程中提供火场外围的全方位图像信息，在大跨度火场和高层建筑火场中可以向消防队员无法到达的区域投掷简易逃生器材。
2）地震救援。在地震救援中，高空机器人利用其地理位置优势帮助指挥中心和救援队员了解灾害现场情况，提供房屋损毁及倒塌的画面场景、精确位置、搜救人员地面线路、救援人员现场作业等实时信息，并协助救援队完成危楼建筑排查工作。同时，地面搜救机器人利用其传感器信息处理能力强的优势，可以携带多种传感器，实现废墟内图、声、气、温等多种检测，可以更有效地发现被困者的位置，对指导救援工作的开展有非常重要的意义。由于机器人的机动性和搬运破拆能力都强于人类，而且通过电池补给可以连续工作，这样提高了搜救的效率。使用搜救机器人可以提高救援队员的安全系数，能避免二次倒塌所带来的伤亡。各种类型的搜救机器人可以根据任务的类型及环境而改变自身的构型，适应多样化地震废墟环境。进入危险或救援人员无法进入的废墟，并随时监视废墟的变化，防止发生倒塌危及救援人员，提供幸存者周围环境信息及救援通道的信息，方便施救。
3）危险化学品事故处置。当核电厂、化工厂等设施出现有毒、易爆危险化学品泄露事故时，如果没有相应的防护和支援，即使训练有素的专业救援人员也不能轻易开展工作，而戴上防护用具之后又会限制搜救人员对环境的感知能力，延缓救援工作的进程。这些危险因素给救援工作带来了极大的阻碍，常常使救援工作付出惨痛的代价。消防机器人由于不需要复杂的防护装备，可以携带各种专业的测试设备进入危险化学品泄露事故的重度泄露部位，查找泄露点并提供泄露点附近的环境状况，为处置泄露提供充足的信息保障。同时，在专业救援人员进行堵漏处理时，可以辅助完成稀释泄露化学品和实时监测现场泄露情况等工作。
4）水域救援。在遇到情况比较复杂的水域救援工作时，消防机器人可以充分发挥其移动范围受限少的优点，通过水上机器人和高空机器人对遇险者给予全方位的及时救助。相对与现有水域救援使用抛投器和人工救助的方式，利用消防机器人可以更加安全准确高效的将缆绳、救生衣等紧急救助装备投递到遇险者手中。