張悅鳴 鄭珺文 劉雨慶 聶泓承 溫謙

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-9577

摘? 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，很多地區(qū)高層建筑和化工產(chǎn)業(yè)大量涌現(xiàn)，同時(shí)隨之而來的還有大量的安全隱患。消防設(shè)備相對人類來說具有更好的抵抗能力，對高溫、黑暗、有毒、濃煙有更好的耐受力，同時(shí)能夠更好、更冷靜地實(shí)行救援任務(wù)，避免不必要的人員傷亡。該文介紹了對新型消防機(jī)器人的功能設(shè)想，巧妙地結(jié)合紅外熱成像儀和機(jī)器人機(jī)身達(dá)到可以代替消防員或者與消防員合作進(jìn)入火場實(shí)行救援的效果。改變傳統(tǒng)消防機(jī)器人體積過大不便進(jìn)入現(xiàn)場的現(xiàn)狀，使用圖像分析技術(shù)來幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)獨(dú)立救援，利用現(xiàn)有技術(shù)對消防機(jī)器人本身進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)人工和機(jī)器人共同合作。

關(guān)鍵詞：消防? ?機(jī)器人紅外熱成像儀? ?MATLAB? ?圖像分析

中圖分類號：TU998.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（a）-0057-04

Research on Unmanned Multifunctional Safety Rescue and Fire Fighting Equipment

ZHANG Yueming? ?ZHENG Junwen? LIU Yuqing? NIE Hongcheng? WEN Qian*

（Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 417100 China）

Abstract： With the rapid development of social economy， a large number of high-rise buildings and chemical industry emerge in many areas， and there are a large number of potential safety hazards. Compared with human beings， fire-fighting equipment has better resistance to high temperature， darkness， toxicity and thick smoke. At the same time， it can better and calmly carry out rescue tasks to avoid unnecessary casualties. This paper introduces the functional assumption of the new fire robot， which skillfully combines the infrared thermal imager and the robot body to achieve the effect of replacing firefighters or cooperating with firefighters to enter the fire site for rescue. It will change the current situation that the traditional fire robot is too large to enter the scene， use image analysis technology to help the robot realize independent rescue， use the existing technology to protect the fire robot itself， and realize the joint cooperation between man and robot.

Key Words： Fire fighting robot; Infrared thermal imager; MATLAB; Image analysis

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，很多地區(qū)高層建筑和化工產(chǎn)業(yè)大量涌現(xiàn)，同時(shí)隨之而來還有大量的安全隱患。2019年3月30日下午，四川涼山發(fā)生大火，目前已確定有31人遇難?；馂?zāi)不僅威脅著人民的人身和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)還威脅著消防人員的生命安全。尤其是石化企業(yè)和森林大火，一旦發(fā)生，會(huì)造成不可預(yù)估的后果。而我們唯一能做的就是讓悲痛不再發(fā)生，在這個(gè)時(shí)候，智能消防就顯得更加重要。消防設(shè)備相對人類來說具有更好的抵抗能力，對惡劣環(huán)境有更好的耐受力，同時(shí)能夠更好、更冷靜地實(shí)行救援任務(wù)，避免不必要的人員傷亡。

1? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，尤其是智能設(shè)備的發(fā)展，智能化的觀念也在慢慢深入人心。在消防領(lǐng)域的智能化也是被各國所重視，一些發(fā)達(dá)國家將智能消防列入國家科技發(fā)展規(guī)劃，并大力發(fā)展智能小車[1]。國際上較早采用智能消防設(shè)備的是美國和前蘇聯(lián)，隨后英國、日本、法國等國家也開始了智能消防設(shè)備的研究。而我國的雖然在硬件和軟件的開發(fā)上日趨完善，但是仍然存在性能單一、體積過大、成本過高等問題，所以使用不夠普遍。而國外智能消防設(shè)備普遍體積較大，不適合我國樓房高層起火的救援活動(dòng)，且滅火方式單一，也就是性能單一。同時(shí)，在滅火設(shè)備進(jìn)行滅火時(shí)，需要人為幫助，無法做到百分百脫離人工。這從根本上來說，仍然無法避免人員傷亡。真正能夠進(jìn)入地形復(fù)雜的火場，代替消防員進(jìn)行救援，還存在很大的困難。而在地形復(fù)雜的山區(qū)消防設(shè)備又面臨著移動(dòng)困難、移動(dòng)速度慢的難題。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，消防安全領(lǐng)域已經(jīng)引起全世界各國的重視，世界各國也在該領(lǐng)域出臺并且完善了諸多法律法規(guī)，因?yàn)橄腊踩c人民的生命及國家的財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)，如果不能及時(shí)處理就會(huì)給國家和人民帶來極大的損失，并引發(fā)一系列惡劣事件。我國對消防領(lǐng)域的管控十分嚴(yán)苛，并投入了大量資金和人力。從建筑的布局、建筑裝修材料的審定、防火應(yīng)急預(yù)案的制定、消防設(shè)施的擺放到滅火處理都有相關(guān)的規(guī)定[2]。我國自20世紀(jì)90年代開始著手研究智能消防車，該研究課題已經(jīng)被多所高校列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，1995年上海消防科學(xué)研究所研制了我國首輛真正意義上的智能消防車，標(biāo)志我國對智能消防車的研制進(jìn)入了發(fā)展階段，填補(bǔ)了我國在智能消防上的空白。我國研發(fā)的第一代消防小車已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，具備基本的排查險(xiǎn)情、滅火、冷卻、稀釋等功能。

1.3 研究內(nèi)容

消防機(jī)器人自問世以來歷經(jīng)了三次改進(jìn)，第一代智能消防設(shè)備采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，由于控制技術(shù)的不完善和信號延遲，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用時(shí)效果并不如預(yù)期。第二次改進(jìn)采用數(shù)據(jù)分析的方法來提高準(zhǔn)確度和反應(yīng)能力，一般是采用各類傳感器來進(jìn)行信息采集工作?，F(xiàn)在正在發(fā)展的是第三代消防機(jī)器人，是融合了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、人工智能等各類傳統(tǒng)和新興技術(shù)的綜合機(jī)器人[3]。該文對新型智能消防小車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括對驅(qū)動(dòng)方式的詳細(xì)介紹、行走方式的改良創(chuàng)新、數(shù)據(jù)采集和滅火方式的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)消防小車和消防員的合作滅火。根據(jù)小車采集的數(shù)據(jù)和圖像等信息進(jìn)行具體分析來指定合理、安全、有效的方案來營救被困人員以及解除火警。同時(shí)可用于火警檢測，變電站糧倉等國家財(cái)產(chǎn)發(fā)生火災(zāi)概率更大，尤其是夏季高溫期，此款智能消防小車可以通過紅外熱成像儀檢測溫度過高點(diǎn)來起到預(yù)防火警的作用。

2? 整車設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力來源的選擇

面對地形復(fù)雜的火場區(qū)域，體型過大的消防設(shè)備并不具備明顯優(yōu)勢，而且體型越大意味著設(shè)備本身需要更大的動(dòng)力供應(yīng)，撲滅火險(xiǎn)意味著消防設(shè)備必須行動(dòng)敏捷，動(dòng)力充足，如果選擇汽油柴油等燃料作為動(dòng)力供應(yīng)顯然不可取?；饒銮闆r千變?nèi)f化，且溫度較高，如果發(fā)生爆炸會(huì)造成更為嚴(yán)重的災(zāi)難。相比之下采用耐高溫電池就更加安全。耐高溫鋰電池最高可承受800 ℃的高溫，對于一般火災(zāi)內(nèi)部溫度大概在400 ℃左右，自燃性森林火災(zāi)溫度大概在1 300 ℃～1 400 ℃左右，明顯耐高溫鋰電池在面對森林火災(zāi)的時(shí)候也極易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。為了避免這種情況的發(fā)生，我們可以選擇耐高溫的隔熱涂料覆蓋電機(jī)本身，同時(shí)涂抹在消防小車表面來保護(hù)內(nèi)部精密零件。

ZS-1耐高溫隔熱保溫涂料就是可選擇的涂料之一，耐高溫隔熱保溫涂料是太空節(jié)能個(gè)人保溫涂料的一種，為世界首創(chuàng)，涂料為無機(jī)單組分，耐高溫隔熱保溫涂料的使用溫度為-80 ℃～1 800 ℃，根據(jù)不同的使用情況可以-60 ℃～1 000 ℃，比重是1 100 ㎏/m3;

-80 ℃～1 800 ℃，比重是1 800 kg/m3，還有夾層專用是-60 ℃～1 200 ℃，比重是1 000 kg/m3這3種，隔熱系數(shù)都是0.03 W/m·k，都能有效抑制輻射熱和傳導(dǎo)熱，隔熱抑制率可達(dá)到90%以上。這種涂料在完善之后有希望將設(shè)備的表面溫度降低至100 ℃，以此來確保設(shè)備內(nèi)部零件和電路不被損壞。

2.2 CPU芯片的選擇

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4kB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35 MHz，6T/12T可選。

2.3 移動(dòng)方式的選擇

我國目前研發(fā)的消防小車移動(dòng)方式基本都偏向于輪式，還有幾款利用平行四邊形底盤機(jī)構(gòu)來增加穩(wěn)定性。對于森林火災(zāi)來說地形崎嶇而且可能存在很多地勢落差，一旦發(fā)生側(cè)翻就沒有辦法再次移動(dòng)。而對于履帶式底盤來說，通過加長履帶的方式就能夠增加行走穩(wěn)定性，但是顯然履帶式底盤也明顯存在著不能解決側(cè)翻問題的明顯缺陷。根據(jù)圖1所示，從生物學(xué)角度來說，狗的體型小巧靈活，適合跳躍，如果我們能以狗的骨骼結(jié)構(gòu)為原型，即使不能百分百還原，我們也能通過履帶式底盤和機(jī)械狗相結(jié)合的方式進(jìn)行融合，履帶式底盤明顯適合地勢平坦的地區(qū)，比如：工廠或者草坪，履帶式底盤做工便宜成本低廉，在工廠或者市區(qū)等地勢平坦的火災(zāi)現(xiàn)場，可以快速穩(wěn)定的移動(dòng)去撲滅險(xiǎn)情。而在地勢崎嶇的山區(qū)或者村莊，消防小車一旦發(fā)生側(cè)翻，可以選擇遠(yuǎn)程控制機(jī)械狗脫離底盤。雖然以目前的技術(shù)來說，制造的機(jī)械狗移動(dòng)速度較為緩慢，但是卻能很好地解決側(cè)翻之后消防設(shè)備無法移動(dòng)的問題，降低了經(jīng)濟(jì)損失。兩種移動(dòng)方式相結(jié)合的方法，意味著此款消防設(shè)備適用于大多數(shù)火災(zāi)現(xiàn)場，能夠勝任大部分消防任務(wù)，隨著機(jī)械與自動(dòng)化以及圖像識別等算法的成熟，此款消防設(shè)備肯定能夠更加完善。

2.4 信息采集與處理

人們身邊的物體只有在溫度超過1 000 ℃的時(shí)候才會(huì)發(fā)出可見光，對于森林火災(zāi)來說最大的隱患莫過于復(fù)燃，對于樹木內(nèi)部的高溫易燃點(diǎn)，人們光憑肉眼難以看見，而對于家庭或者工廠來說，電路上隱藏的過熱點(diǎn)是引發(fā)火災(zāi)的最大隱患。夏季是糧倉火災(zāi)的高發(fā)季節(jié)，谷物自燃不僅給人民財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損失，甚至?xí){到生命安全。而早在1975年的時(shí)候，加拿大林業(yè)學(xué)校就已經(jīng)利用紅外熱成像儀進(jìn)行森林防火實(shí)驗(yàn)，在飛機(jī)上檢測溫度過高點(diǎn)，排除尚未起燃的潛在火源，夏季利用紅外熱成像儀來檢測糧倉，能夠準(zhǔn)確知道容易起火的位置和范圍，做到早知道早預(yù)防，及時(shí)撲滅，以挽救國家人民生命財(cái)產(chǎn)。所以，在此款消防設(shè)備上配備紅外熱成像儀，來采集數(shù)據(jù)非常合適。MATLAB軟件是一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理和精確計(jì)算的可視化交互軟件，由MathWorks公司在1984年開發(fā)并運(yùn)行，具有非常強(qiáng)大的科學(xué)仿真和計(jì)算功能，因此在各種科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。而關(guān)于搜集到的圖像分析，完全可以利用MATLAB進(jìn)行簡單地識別和數(shù)據(jù)處理。數(shù)學(xué)圖像處理最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計(jì)算機(jī)來處理圖像和圖像信息。數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大概形成于20世紀(jì)60年代初期[5]?；镜目蚣芡瓿芍缶鸵笤O(shè)備的準(zhǔn)確性，而對于消防機(jī)器人來說，對火災(zāi)現(xiàn)場的情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析是最重要的，這就要求設(shè)備具有強(qiáng)大的圖片處理與分析功能?，F(xiàn)有的圖像處理技術(shù)往往不能達(dá)到要求，這就需要相關(guān)人員自行開發(fā)設(shè)計(jì)專門的圖像處理單元。MATLAB軟件提供了圖像處理工具箱，它是以數(shù)字圖像處理理論為基礎(chǔ)，用MATLAB語言構(gòu)造得到的一系列用于圖像數(shù)據(jù)顯示與處理的M文件，相關(guān)人員可以查看M文件的代碼并改進(jìn)[6]。相關(guān)人員甚至可以編輯一個(gè)專門的軟件來與智能消防設(shè)備進(jìn)行連接。在沒有發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，消防人員也可以利用消防設(shè)備遠(yuǎn)程控制來檢測溫度過高點(diǎn)和隱藏著火點(diǎn)。在1980—1983年間，我國利用紅外熱成像儀對整個(gè)華北電力網(wǎng)的24個(gè)發(fā)電站、8個(gè)變電廠，還有1 000多高壓線插頭進(jìn)行了檢測，成功發(fā)現(xiàn)不正常熱點(diǎn)500多處，嚴(yán)重過熱點(diǎn)100多處，及時(shí)處理之后沒有發(fā)生火災(zāi)。

2.5 滅火方式的選擇

大量實(shí)驗(yàn)表明，泡沫熄滅火災(zāi)的主要原理在于降低溫度、火焰阻斷、隔絕氧氣來源以及可燃物消散。與滅火相關(guān)的理論研究方面主要集中于B類火方面，Persson和Dahlberg發(fā)展了泡沫在液體表面的覆蓋的簡化模型，以預(yù)測在油池表面的覆滅過程[7]。在大型商場或者市區(qū)內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)，大多數(shù)情況下能夠獲取足夠的水源用來滅火和降溫。但是如果火災(zāi)發(fā)生在化工廠發(fā)電廠或者是森林火災(zāi)，就難以配備足夠的水源，尤其森林起火隨風(fēng)勢蔓延極快，對自燃環(huán)節(jié)破壞極大，而且撲救難度大，耗費(fèi)的人力、物力極大，甚至?xí)δ承┸娛禄?、物質(zhì)倉庫、油庫造成威脅，所以對森林除了要有足夠的監(jiān)控管理之外，還必須有足夠的防火滅火裝備和器材。遠(yuǎn)離市區(qū)更是為運(yùn)輸裝備和器材帶來了巨大困擾?？捎贸赏繫CW水劑投擲式手榴彈自動(dòng)滅火器（滅火彈）S1/ST1人工布置防火隔離帶，也可通過用飛機(jī)空投布置防火隔離帶，其高效的滅火能力和優(yōu)異的抗復(fù)燃效果，能有效地把大火隔離在燃燒區(qū)里，阻斷火災(zāi)繼續(xù)蔓延;撲救森林火災(zāi)除了布置防火隔離帶之外，還要有足夠的森林消防員進(jìn)入火場滅火才能完全把大火撲滅并且防止其復(fù)燃。森林消防員雖然隨身帶有森林滅火機(jī)和其它撲火工具進(jìn)入火場，但森林無法為撲救火災(zāi)提供足夠的水源，如果消防員能隨身攜帶成威消防MCW水劑投擲式手榴彈自動(dòng)滅火器（滅火彈）S1/ST1，當(dāng)遇到較大的火頭或有人員被困時(shí)，可用成威消防MCW水劑投擲式手榴彈自動(dòng)滅火器（滅火彈）S1/ST1進(jìn)行撲救和開辟逃生通道，確保滅火和人身安全兩不誤。此款投擲式滅火手榴彈自動(dòng)滅火器為我國私人企業(yè)自主研發(fā)、滅火迅速、無污染，事后清理簡便，而且具有有效避免復(fù)燃和防止火勢增大等明顯優(yōu)點(diǎn)。該企業(yè)位于廣東佛山，專業(yè)致力于消防工作的民用企業(yè)。在大火復(fù)燃的情況下可以使用智能消防設(shè)備，通過彈道噴射的方式來進(jìn)行暫時(shí)的降溫和滅火，來阻擋復(fù)燃的火焰，為消防人員增加救援時(shí)間或者保護(hù)火場被困人員的安全。

3? 結(jié)語

該文對智能消防小車進(jìn)行了合理規(guī)劃，能夠?qū)崿F(xiàn)救援和預(yù)警一體化的基本功能，減少消防員進(jìn)入火場的危險(xiǎn)，為人民生命安全和物質(zhì)財(cái)產(chǎn)提供基本保障，采用的紅外熱成像儀和MATLAB圖像分析能夠基本實(shí)現(xiàn)火場情況甄別，還可以用于森林火災(zāi)、工廠爆炸、糧倉起火、變電廠失火等惡性事件的發(fā)生。

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