張慧賢,楊海軍,馬利民,張莉潔,布占偉,郭兆鋒,鐘衛(wèi)

(1.洛陽理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.上海倍伺特自動控制設(shè)備有限公司，上海 201818；3.上海羿歌信息技術(shù)有限公司，上海 200052)

0 引言

近年來，我國工業(yè)生產(chǎn)、儲運過程中涉及的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品迅速增加，由于設(shè)備及管理等方面的原因，化學(xué)危險品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸的事故頻發(fā)，傷亡慘重。據(jù)統(tǒng)計我國每年發(fā)生火災(zāi)約10萬起，死亡2 000多人，傷3 000～4 000人，造成直接損失10億多元，給國家和人民群眾的生命財產(chǎn)造成巨大損失[1-2]。1993年深圳清水河大爆炸、1997年北京東方化工廠罐區(qū)火災(zāi)、2015年天津濱海新區(qū)物流倉庫爆炸、2019年河南三門峽義馬市氣化廠爆炸等特大事故發(fā)生后，全國各地要求配備消防機器人的呼聲愈來愈高，尤其是在明確公安消防部隊作為處置各類化學(xué)危險品泄漏事故的主力軍之后，在我國消防部門配備消防機器人的問題就顯得更為迫切了。以消防員與常規(guī)裝備救援滅火為主的傳統(tǒng)模式正面臨嚴峻挑戰(zhàn)，發(fā)展巡檢偵查、應(yīng)急處置、滅火排煙等系列消防機器人迫在眉睫。

1 研究現(xiàn)狀

消防機器人作為特種機器人的一種，能夠代替消防員進入有毒、濃煙、高溫、缺氧、坍塌、狹小空間等事故現(xiàn)場，承擔偵查檢驗、排煙降溫、搜索救人、滅火等任務(wù)，能保護消防員安全，提高部隊滅火救援能力和效率，對人身安全和社會進步具有重大意義。世界主要發(fā)達國家均投入大量人力、物力開展機器人的研究。1986年日本東京消防廳在滅火中首次采用了“彩虹5號”機器人，目前日本是消防機器人應(yīng)用最多的國家；美國主要是以救援、滅火等智能多功能型機器人為主；歐洲消防機器人主要是非仿人型機器人，在森林火源偵察、破拆等方面都實現(xiàn)了智能化應(yīng)用。相對于國外，我國消防機器人研究起步較晚，研發(fā)及生產(chǎn)落后美、日、歐較多。國內(nèi)消防機器人的研發(fā)在20世紀90年代逐漸被重視。2002年，由公安部上海消防研究所、上海交通大學(xué)、上海消防局三方共同承擔的國家863項目“履帶式、輪式消防滅火機器人”成功研制并順利通過國家驗收。完成驗收后該型號消防機器人被全國多個省市陸續(xù)配備。之后國內(nèi)各企業(yè)逐漸加入消防機器人的研發(fā)隊伍，整體研發(fā)速度不斷加快。近幾年，我國消防機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2016年由工信部、發(fā)改委、財政部等三部委聯(lián)合印發(fā)的《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020)》中，提出了機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的五項主要任務(wù)，其中消防救援機器人被列為10種重大標志性率先突破產(chǎn)品之一。在國家政策強力支持以及行業(yè)多年的技術(shù)積累下，我國消防機器人生產(chǎn)企業(yè)能否把握機遇，突破共性技術(shù)難題，是我國消防特種機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

總體而言，在國際上對于消防機器人的研發(fā)歷經(jīng)了大致三個階段，同時也形成了三代不同的消防機器人。第一個階段主要依靠遠程操作控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上形成的消防機器人叫做程序控制型消防機器人，這是世界上第一代消防機器人；第二個階段主要通過傳感器來開發(fā)其性能，這一階段的消防機器人被稱為功能型消防機器人，也是世界上第二代消防機器人；第三個階段，消防機器人研究方向開始向智能化靠近，消防機器人不再單單局限于某種功能，而是對環(huán)境具有一定的智能感知與互動的智能化功能，這一階段形成的消防機器人被稱為智能型消防機器人，這也是世界上第三代消防機器人。

2 發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)消防機器人處于從一代向二代更新?lián)Q代的過程中，對于國內(nèi)的第二代消防機器人來說，主要以履帶式為主，大都由履帶載體、消防炮和遙控器三部分構(gòu)成，有些還配置了紅外熱像儀、超聲波傳感器、無線氣體探測器、全景攝像機等，有效地提高了復(fù)雜環(huán)境營救的安全性，較好地保障了消防人員的安全?？v觀各個國家，每個國家對于消防機器人研究所處的階段不同。隨著科技的發(fā)展以及復(fù)雜作業(yè)環(huán)境對消防機器人的更高要求，其中大多數(shù)發(fā)達國家如美國、日本、歐盟等國家所處的階段都集中在從第二階段的功能型消防機器人向第三階段的智能型消防機器人過渡，力求通過科技創(chuàng)新向高級智能型消防機器人邁進。

綜觀消防機器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，美、日、歐等發(fā)達國家已著手第三代具有智能感知與自主規(guī)劃的智能消防機器人研制[3-6]。而目前國內(nèi)的消防機器人系統(tǒng)主要集中在第二代的應(yīng)用上，如圖1所示，大都采用視頻采集設(shè)備及傳感器等，將前線作業(yè)環(huán)境圖像等信息無線傳輸?shù)交饒龊蠖耍上廊藛T根據(jù)現(xiàn)場視頻圖像進行遙控操作，機器人無法在動態(tài)變化的環(huán)境中自主工作，無法發(fā)揮機器人在災(zāi)情預(yù)警、判斷處置及協(xié)同作戰(zhàn)方面的優(yōu)越性[7-10]。開發(fā)能夠?qū)ψ鳂I(yè)環(huán)境進行智能感知并對環(huán)境進行分類與辨識的具有自主路徑規(guī)劃的消防機器人，是未來消防機器人智能化發(fā)展的重要方向。

圖1 消防機器人工作現(xiàn)狀

圖2為某公司開發(fā)的消防滅火偵察機器人、防爆消防偵察機器人及礦用隔爆兼本安型輪式巡檢機器人。圖2(a)所示的消防滅火偵察機器人由機器人本體、大流量水炮、防爆紅外雙視云臺、手持遙控終端組成。主要應(yīng)用于公(鐵)路隧道火災(zāi)、地鐵車站與隧道火災(zāi)、地下設(shè)施與貨場火災(zāi)、大跨度和大空間場所火災(zāi)、石化油庫與煉制廠火災(zāi)、大面積毒氣與煙霧事故，危險火災(zāi)目標的偵察、進攻與掩護，人員不易接近的火災(zāi)撲救等。該種機器人采用防爆、防水雙重設(shè)計和大功率動力系統(tǒng)，可同時拖拽6條80 m長水帶；采用鴨嘴式水炮設(shè)計，可變換多種噴水形式，噴射流量可調(diào)節(jié)；200 L/s大流量水炮，射程高，滿足大空間場所火災(zāi)撲救工作；采用360°可見光巡視及紅外熱成像系統(tǒng)，能夠滿足黑暗和惡劣環(huán)境下的作業(yè)需要；采用適應(yīng)多種路況的全新獨立懸掛減震系統(tǒng)，地面適應(yīng)能力強；采用大功率散熱設(shè)計，能夠進行自主散熱降溫；采用高壓大容量電源系統(tǒng)，動力輸出較強；采用無線通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信功能，可接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻雙信道傳輸，保證了爆炸危險環(huán)境滅火時消防人員的安全距離；同時可與無人機配合，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心，為救援決策者提供可靠的決策依據(jù)；同時具有遠程診斷功能、環(huán)境探測功能，搭載環(huán)境探測傳感器，實現(xiàn)對現(xiàn)場有毒、可燃氣體的檢測分析；具有熱眼檢測功能，通過紅外熱成像實現(xiàn)對熱源的檢測與跟蹤；具有聲音采集功能，可實時采集現(xiàn)場聲音，便于了解受困人員情況；具有圖像采集功能，采集現(xiàn)場圖像并實時上傳。具有自主避障功能，避障系統(tǒng)自動識別障礙物距離，靈敏度高，檢測距離遠。

圖2(b)所示的防爆消防偵察機器人由機器人本體和手持遙控終端組成。主要用于各領(lǐng)域火災(zāi)事故偵察，尤其適用于石化、燃氣等易爆環(huán)境，對提高救援安全性、減少人員傷亡具有重要意義。該產(chǎn)品采用履帶式行走機構(gòu)，越障能力強，適應(yīng)復(fù)雜地形；采用防爆、防水設(shè)計，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境；采用高清無線圖傳系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠程實時視頻監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)通信可接入互聯(lián)網(wǎng)，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心，為救援決策者提供可靠的決策依據(jù)；同時可與無人機配合，實現(xiàn)“三位一體”的消防指揮控制。通過互聯(lián)網(wǎng)功能，可實現(xiàn)對機器人的遠程診斷及故障分析；搭載環(huán)境探測傳感器，可實現(xiàn)對現(xiàn)場有毒、可燃氣體的檢測分析；可實時采集現(xiàn)場聲音、現(xiàn)場圖像并實時上傳。

圖2(c)所示的礦用隔爆兼本安型輪式巡檢機器人，由機器人本體、無線基站、遠程工作站等組成。主要應(yīng)用于煤礦井下等場所，可代替巡檢工人對設(shè)備及環(huán)境進行巡檢，提高了煤礦行業(yè)的安全管理及智能化水平。該種機器人具有如下功能：1)視頻分析功能，可根據(jù)用戶要求對現(xiàn)場儀表、閥門等設(shè)備進行識別分析；2)音頻分析功能，可通過對現(xiàn)場聲音采集，智能分析異常聲音，故障自動語音提示；3)環(huán)境檢測功能，機器人搭載多種氣體探測傳感器，實時檢測現(xiàn)場環(huán)境中甲烷、一氧化碳及氧氣等多種氣體濃度；4)熱成像檢測功能，機器人搭載熱成像儀對現(xiàn)場電機、軸承等設(shè)備表面溫度檢測高溫預(yù)警；5)語音提示功能，針對機器人巡查出的故障、自身的異常進行語音播報，同時支持雙向?qū)χv功能；6)云臺升降功能，機器人防爆云臺可實現(xiàn)自動升降，提高了機器人巡檢適應(yīng)性和巡檢質(zhì)量；7)數(shù)據(jù)查詢功能，機器人巡檢實時狀態(tài)、歷史記錄、異常記錄等信息，通過上位機可以進行查詢。

圖2 消防滅火、偵察、巡檢機器人

由此可見，該機器人產(chǎn)品已經(jīng)基本實現(xiàn)了結(jié)合機器視覺、視頻監(jiān)控、圖像識別、無線傳輸?shù)确矫娴淖钚录夹g(shù)，融入了一些人工智能技術(shù)，在遙控型消防機器人技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了很大提升。但要真正實現(xiàn)人工智能技術(shù)在消防機器人上應(yīng)用的實用化，還須解決一些關(guān)鍵技術(shù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

對于消防機器人而言，首要解決的關(guān)鍵問題是對采集到的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境視頻信息進行特征提取、圖像分割和圖像辨識，完成環(huán)境信息的分類、識別并進行感知，以便為下一步路徑規(guī)劃及自主決策提供基礎(chǔ)。國內(nèi)目前研制的智能消防機器人只處于智能化的初級階段，由于智能機器人涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)，要在消防機器人中實現(xiàn)真正的“智能化”，需要多學(xué)科交叉的協(xié)同努力與研究。

3.1 作業(yè)環(huán)境信息采集與三維重構(gòu)

對消防機器人而言，對作業(yè)環(huán)境的信息進行采集，并將平面信息轉(zhuǎn)化為三維信息被機器人識別是實現(xiàn)“智能化”的基礎(chǔ)。首先通過信息采集技術(shù)獲取消防機器人作業(yè)環(huán)境的原始信息，再通過三維重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)對環(huán)境信息的復(fù)原與重建。同時，通過模式識別對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分析與預(yù)測，實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的描述、辨認、分類和解釋，完成機器人對環(huán)境信息的感知與辨識，使機器人能根據(jù)環(huán)境信息和自身狀態(tài)，更新調(diào)整自身動作。

針對消防機器人作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜性和高危險性特點，可開發(fā)溫度、有毒氣體、可燃氣體和氧氣濃度等作業(yè)環(huán)境檢測參數(shù)的多通道傳感器數(shù)據(jù)采集硬件，并構(gòu)建由超聲波傳感器、熱成像儀、CCD攝像頭、紅外傳感器、超聲波傳感器等組成的多源、多信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時，可采用基于雙目視覺成像技術(shù)，完成對現(xiàn)場環(huán)境圖像信息的采集，通過圖像的合成與匹配，實現(xiàn)消防機器人作業(yè)環(huán)境的三維場景可視表面重構(gòu)，得到具有一定深度感的環(huán)境立體視覺及其高維特征，為消防機器人實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境中的三維景物和物體進行形態(tài)和運動識別提供數(shù)據(jù)。技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 機器人作業(yè)環(huán)境信息采集與三維重構(gòu)

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)的模式識別與路徑規(guī)劃

在作業(yè)環(huán)境信息采集與三維重構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)濾波對環(huán)境特征的噪聲信息進行濾除。為辨識環(huán)境中的物體屬性與形態(tài)，可通過圖像邊緣檢測算法提取環(huán)境物體的輪廓信息。常采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SIFT算法的圖像特征提取方法，減少數(shù)據(jù)運算量并快速獲取環(huán)境圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性，優(yōu)化物體形狀特征的提取，提高模式匹配的速度與精度。為實現(xiàn)消防機器人一定程度的自主路徑規(guī)劃，可通過構(gòu)建的場景模式匹配模型以及基于特征聚類和主成分分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，建立消防機器人基本的深度學(xué)習結(jié)構(gòu)?；谏疃葘W(xué)習的圖像特征提取算法，可通過視覺特征的自主學(xué)習，得到能夠較好適應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、具有一定深度的學(xué)習模型，實現(xiàn)消防機器人具有一定的自主訓(xùn)練與路徑規(guī)劃能力。技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 環(huán)境數(shù)據(jù)的模式識別與路徑規(guī)劃

3.3 環(huán)境感知算法及自主學(xué)習模型

在傳統(tǒng)模式識別和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對環(huán)境感知算法和自主學(xué)習模型進行優(yōu)化；通過圖像采集優(yōu)化、特征提取優(yōu)化及模式匹配優(yōu)化，提高消防機器人對環(huán)境圖像采集及特征提取的速度與精度，改善對物體進行形態(tài)匹配和運動識別的準確度。為提高消防機器人自主路徑規(guī)劃的實時性與準確性，可開發(fā)能夠適應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的較為魯棒的深度學(xué)習模型，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化的SIFT算法等人工智能領(lǐng)域最新的算法，或探索研究迭代尋優(yōu)的優(yōu)化算法，通過環(huán)境辨識優(yōu)化、控制策略優(yōu)化及路徑預(yù)測優(yōu)化，研究對作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境識別具有穩(wěn)定性、快速性和準確性的且具有根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境完成一定的自主訓(xùn)練與路徑規(guī)劃的消防機器人。技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 機器人環(huán)境感知算法及自主學(xué)習模型

3.4 人工智能與深度學(xué)習

如圖6所示，在軟硬件聯(lián)合設(shè)計的基礎(chǔ)上，可對消防機器人的硬件與軟件進行性能測試與驗證，完成硬件測試、軟件測試與綜合測試，同時完成信息采集、環(huán)境感知與路徑預(yù)測的實驗驗證；根據(jù)測試與驗證結(jié)果，修正并迭代優(yōu)化軟硬件系統(tǒng)，研究提高圖像采集速度、精度與可靠性的方法，增強重構(gòu)的三維環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的匹配度；對環(huán)境物體進行形態(tài)和運動的識別驗證，根據(jù)結(jié)果修正硬件配置與軟件算法，協(xié)調(diào)軟硬件配置架構(gòu)，提高對環(huán)境物體識別及分類的可靠性；通過模擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境相結(jié)合的方法，驗證基于深度學(xué)習模型的消防機器人路徑自主規(guī)劃能力，優(yōu)化軟硬件模型，提升消防機器人在作業(yè)現(xiàn)場未知環(huán)境中的環(huán)境辨識、智能感知、路徑規(guī)劃與軌跡預(yù)測能力。

圖6 人工智能與深度學(xué)習

4 結(jié)語

1)針對目前易燃易爆環(huán)境對消防機器人的新要求，闡述了消防機器人的研究現(xiàn)狀。以產(chǎn)品實例展示了目前市場上較先進的消防機器人所能達到的技術(shù)參數(shù)及其功能，并對第三代具有智能感知與自主規(guī)劃的智能型消防機器人的關(guān)鍵技術(shù)進行了論述。研究表明能夠?qū)ψ鳂I(yè)現(xiàn)場未知環(huán)境進行信息辨識、智能感知以及具有一定路徑規(guī)劃與軌跡預(yù)測能力的消防機器人，是消防機器人智能化發(fā)展的方向；

2)闡述了第三代具有智能感知與自主規(guī)劃的智能型消防機器人的關(guān)鍵技術(shù)，包括作業(yè)環(huán)境信息采集與三維重構(gòu)、環(huán)境數(shù)據(jù)的模式識別與路徑規(guī)劃、環(huán)境感知算法及自主學(xué)習模型及其人工智能與深度學(xué)習。開發(fā)出對作業(yè)環(huán)境具有智能感知與識別、具有一定的自主訓(xùn)練與路徑規(guī)劃的消防機器人，是消防機器人“智能化”的標志。消防機器人的智能化是社會發(fā)展對消防提出的新要求，對消防機器人作業(yè)環(huán)境智能感知與識別的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，這對提升消防機器人的智能化，提高消防滅火救援能力及效率以及對社會進步和環(huán)境保護具有重大意義。