侯建軍，毛軼超，陳利，陳文敏

基于AHP層次分析法的履帶式智能消防機器人設計研究

侯建軍，毛軼超，陳利，陳文敏

（南京工程學院藝術(shù)與設計學院，南京 211167）

建立消防機器人功能需求指標，將人工智能技術(shù)與消防機器人功能結(jié)合，設計一款具有無人機監(jiān)測的智能履帶式消防機器人。通過文獻研究、市場產(chǎn)品分析，運用KJ親和圖法建立消防機器人功能需求指標；通過問卷和訪談法及AHP層次分析法計算得出各功能指標的權(quán)重值，并完成一致性檢驗；再通過設計實踐法從設計定位、設計效果圖、結(jié)構(gòu)分析、功能分析、人工智能技術(shù)應用、智能控制系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)模塊分析步驟及界面UI設計等流程，完成智能消防機器人的設計實踐。得出消防機器人需求指標目標層1個、一級指標4個和二級指標13個，其中一級指標的重要排序為安全性、功能性、智能性和美學性，消防員對機體防爆性、機體耐火性、爬坡/越障/避障功能評級較高，同時希望具有智能分析火源、規(guī)劃行走路徑、無人機巡查等功能。將研究結(jié)論和設計實踐相結(jié)合，設計了一款具有監(jiān)測無人機的智能消防機器人，通過路空兩種模式相互配合，無人機可巡查并規(guī)劃路徑、智能分析、定點監(jiān)控和火情報警等功能，消防機器人可具有進入危險火場完成滅火和救援等功能。

消防機器人；AHP層次分析法；監(jiān)測無人機；人工智能技術(shù)

多年來，在與火災的斗爭中，消防員總是沖在事故的最前線，不僅會面對許多高溫、毒氣、濃煙、爆炸、坍塌等極其危險的環(huán)境，同時也會帶來不必要的人員傷亡。消防機器人屬于極端環(huán)境下的滅火設備，具有防輻射、遠程遙控、行走、水炮姿態(tài)控制、滅火等多種作業(yè)功能。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將其技術(shù)應用在消防機器人中，可更加準確地檢測和評估火場環(huán)境，智能分析最佳的滅火方式，實現(xiàn)生命體征識別、搜救、精準滅火等功能。

1 消防機器人概述

1.1 消防機器人的市場現(xiàn)狀

消防機器人按照功能分為履帶式消防機器人、攀爬式消防機器人、多功能消防機器人、大型消防機器人等[1]。按照運動機構(gòu)又分為包括履帶式、腿式、輪腿式和輪式履帶式等[2]，不同的移動方式在不同的應用環(huán)境中各有優(yōu)勢。其中履帶式機器人可跨越較為復雜的地面環(huán)境，且滅火噴水作業(yè)時，機體可承受較強的后坐力，故市場上應用較廣。

隨著1986年日本彩虹五號消防機器人的第一次亮相，2012年美國CHARLI-2消防機器人在戰(zhàn)艦上服役，目前，國外的消防機器人向更智能化的方向升級，如Boston Dynamics的SpotMini和Atlas機器人、澳大利亞TAF20消防機器人、德國LUF60型雪炮消防車、美國消防機器人SAFFIR和日本新款火災救助機器人等。

我國的消防機器人多為傳統(tǒng)機械類，側(cè)重消防功能，對智能化方面的研究相對不足。目前，北京凌天、極創(chuàng)科技、寧波華獅等公司已經(jīng)有消防機器人的成品售賣，一些大型城市的消防部門也開始配置消防機器人用于實戰(zhàn)，如洛陽中信重工的履帶式消防機器人、德州力維的智能消防機器人、上海交大的消防跳躍機器人等。同時，一些概念設計，如智加設計公司的消防機器人、“赤烈勇士”消防機器人等使消防機器人造型和功能更為豐富。國內(nèi)外消防機器人設計見圖1。

結(jié)合市場上已有的消防機器人和一些概念機器人的造型和功能，進行市場風格及未來趨勢分析，發(fā)現(xiàn)已有的消防機器人多集中在機械性和單一功能上，智能化和多功能的消防機器人相對較少，市場產(chǎn)品需要進一步智能化升級，見圖2。

圖1 國內(nèi)外消防機器人設計

圖2 消防機器人市場風格與未來趨勢分析

1.2 消防機器人的技術(shù)研究

國外消防機器人的技術(shù)研究從20世紀80年代就已開始，比較典型的研究有：Zhou等[3]開發(fā)關(guān)聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡在線算法，以實現(xiàn)消防機器人對外部環(huán)境的探測功能。Dearie等[4]設計并實現(xiàn)一款具有環(huán)境感知、導航、探測的智能消防機器人。Altaf等[5]開發(fā)具有差分驅(qū)動控制、避障、環(huán)境傳感、電路設計和導航等功能的消防機器人。李彬等[6]研究紅外測距傳感器及遠紅外火焰?zhèn)鞲衅饕詫崿F(xiàn)距離和火源的監(jiān)控。Parmar[7]使用一種基于火焰模式算法，使消防機器人可以檢測火焰位置。同時，許多研究者應用STM32系統(tǒng)實現(xiàn)消防機器人的控制，如Ye等[8]和Gao等[9]。Rakib等[10]研究多傳感器火災探測系統(tǒng)(MSFDS)，實現(xiàn)多傳感器火災探測自主消防機器人。Raju等[11]利用Arduino UNO微控制器完成雙模消防機器人的開發(fā)與實現(xiàn)。Liu 等[12]設計了一種緊密結(jié)合的導航定位模型，可實現(xiàn)火災機器人在煙霧場景中的精確定位。

我國消防裝備相關(guān)研究部門從1997年開始對消防類機器人進行開發(fā)和研究，2002年上海交通大學和上海消防研究所成功完成履帶式、輪式消防機器人的研發(fā)。隨著機器人競賽興起，對競賽類消防機器人的研究也較為集中。以ARM9微處理器的消防機器人研究人員有：李彬等[6]、席文姣等[13]、朱彥亮[14]；基于C51單片機的智能消防機器人的設計與研究人員有：程麗娜等[15]、肖明俊等[16]；基于STM32的智能消防機器人的設計研究人員有：張飛飛等[17]、楊斌等[18]、姚蘊珍[19]等。

綜合文獻研究發(fā)現(xiàn)，隨著計算機、傳感器、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，使消防機器人在避障、火源定位，遠程遙控等功能上不斷加強，雖然人工智能技術(shù)已開始在智能產(chǎn)品中應用，但在消防機器人上的理論研究和設計實踐較少。

2 AHP層次分析各功能需求要素權(quán)重

層次分析法是一種將復雜問題系統(tǒng)化的方法，可將復雜的決策問題建立層次結(jié)構(gòu)模型，得出決策方案相對重要性的排序[20]。本研究在構(gòu)建層次化功能指標體系后，通過訪談調(diào)研，運用層次分析法分析消防機器人的各功能需求指標，得出各指標權(quán)重值，并完成一致性檢驗。

2.1 基于KJ親和圖法建立消防機器人功能指標

KJ親和圖法是將處于混亂狀態(tài)中的語言文字，通過其內(nèi)在相互關(guān)系加以歸納和整理，然后找出解決問題新途徑的方法[21-23]。

消防機器人設計要素的選擇是一個涉及多層次、多因素、多指標等諸多因素的集合。在評價指標選擇時，通過收集相關(guān)專家和設計人員意見，借助KJ法將收集到的資料進行歸類，并對評價指標要素進行補充、篩選。通過以上分析方法，最終確定消防機器人層次結(jié)構(gòu)：目標層1個（1消防機器人功能需求）、一級指標4個（1智能性、2功能性、3安全性和4美學性）和二級指標13個（1智能性包含：1無人機巡查、2智能分析火源、3外部環(huán)境分析、4規(guī)劃行走路徑；2功能性包含：5水柱和水霧切換、6無線遙控功能、7爬坡/越障/避障功能；3安全性包含：8機體耐火性、9機體防水性和10機體防爆性；4美學性包含：11色彩、12材質(zhì)和13造型。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣并計算各指標權(quán)重

本研究選取20名一線消防員組成決策者，對各評價指標用1—9的比例標度進行兩兩比較，判斷矩陣如下：

表1 一級指標下各評價指標權(quán)重值

Tab.1 Weighted value of each evaluation indicator under first-level indicators

表21智能性標準層下各評價指標權(quán)重值

Tab.2 Weight value of each evaluation indicator under the criterion layer of intelligence B1

表32功能性標準層下各評價指標權(quán)重值

Tab.3 Weighted value of each evaluation indicator under the criterion layer of functionality B2

表43安全性標準層下各評價指標權(quán)重值

Tab.4 Weighted value of each evaluation indicator under the criterion layer of security B3

表54美學性標準層下各評價指標權(quán)重值

Tab.5 Weighted value of each evaluation indicator under the criterion layer of aesthetics B4

根據(jù)一級指標權(quán)重值可知，消防機器人的重要等級順序分別為3安全性、2功能性、1智能性和4美學性，即消防員把消防機器人的安全性和功能性放在首位，在此基礎上希望增加智能性和美學性。根據(jù)二級指標的權(quán)重值可知，消防員對影響消防機器人3安全性的10機體防爆性、8機體耐火性評級較高。在2功能性中需求依次是7爬坡/越障/避障功能、6無線遙控功能和5水柱和水霧切換。在1智能性需求的先后順序：2智能分析火源、4規(guī)劃行走路徑、1無人機巡查和3外部環(huán)境分析。在4美學性中，13造型重要性遠大于11色彩和2材質(zhì)。根據(jù)一致性指標和檢測系數(shù)指標，值均小于0.1，表明所有的判斷矩陣均通過了一致性檢驗。

3 智能履帶式消防機器人設計實踐

3.1 設計定位及效果圖

根據(jù)消防機器人設計要素權(quán)重分析結(jié)果，運用產(chǎn)品設計流程與方法，應用人工智能技術(shù)，設計一款智能履帶式消防機器人。該機器人由消防機器人主體和監(jiān)測無人機組成，適用于高溫、有毒等高危環(huán)境，監(jiān)測無人機可生命體識別、判斷火源和危險排查，消防機器人主體可進入狹窄空間完成滅火和救援功能，消防機器人設計效果如圖3所示，監(jiān)測無人機分離主體工作狀態(tài)如圖4所示。

圖3 智能履帶式消防機器人

圖4 無人機分離主體工作狀態(tài)

3.2 消防機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計

消防機器人主體和監(jiān)測無人機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5，各結(jié)構(gòu)名稱及功能見表6。

3.3 消防機器人各項功能分析

1）滅火功能分析。消防機器人的滅火功能主要由消防水炮完成，消防水炮可實現(xiàn)水的霧化或水直流切換，仰視與俯視角度切換，滿足5水柱和水霧切換功能。水炮采用鋁合金硬質(zhì)陽極氧化處理，耐腐蝕性更強，在面對墜物與爆炸時，因水炮與上蓋連接，可有效的防止墜物損傷水炮。

2）運動功能分析。消防機器人的運動裝置主要采用履帶式移動方式，以三角形的設計保證整個機體的穩(wěn)固性，在運動時避免了輪式移動的越障能力低，易造成掛鉤及打滑等缺點。考慮到惡劣環(huán)境的應用，特采用寬大的履帶設計，中間有旋轉(zhuǎn)軸，可滿足360°旋轉(zhuǎn)操作，能自由行駛在凹凸不平的地面上，實現(xiàn)了7爬坡/越障/避障功能。

3）無人機功能分析。無人機作為消防機器人的救援輔助，可飛入高空或進入屋內(nèi)進行生命探測與危險排查，熟悉火災環(huán)境，并通過攝像頭圖像處理，實時傳輸于指揮處。三旋翼飛行槳置于折疊飛翼下，能夠很好地保護機翼不受墜物傷害，紅外探測儀與LED燈放置于透明燈罩內(nèi)也可以很好地保護其在復雜的火災情況中不受損傷，本功能實現(xiàn)1智能性中1無人機巡查功能。無人機同時具有火源智能識別系統(tǒng)，通過對現(xiàn)場火焰進行精準識別判斷，分析出火焰閃爍頻率，坐標變化率，面積增長等特點。通過第一時間的識別與判斷，與地面的消防機器人進行信息同步切換，選取最佳的滅火裝置，及時準確救援，同時通過無人機實現(xiàn)2智能分析火源和3外部環(huán)境分析功能，見圖6。

圖5 消防機器人的結(jié)構(gòu)設計

表6 智能消防機器人各結(jié)構(gòu)名稱及功能

Tab.6 Structure name and functions of intelligent fire fighting robot

4）智能識別功能分析。消防機器人具有路線避障識別及火源定位系統(tǒng)，采用專屬的無線射頻辨識體系，實時觀察周圍情況，會采取避撞方案，如地面雜物過多，則會采取從雜物上方平坦通過的方案，以最快的效率到達指定滅火現(xiàn)場。配合無人機調(diào)整消防水炮的傾斜高度及轉(zhuǎn)向，來確定火源位置與角度調(diào)試，可以極大地節(jié)省救援時間，滿足3外部環(huán)境分析和4規(guī)劃行走路徑功能，見圖7。

5）結(jié)構(gòu)變換功能分析。由于火源性質(zhì)不同，滅火采取的措施也要隨之變換。消防機器人后方設有快插接頭，在內(nèi)部設有水柱與水霧的切換模式，當智能識別得到應采取的措施后，會迅速切換。上方的消防水炮則會隨火源的樓層高度的需求進行延伸（通過升降支撐系統(tǒng)、折疊伸縮管及消防炮頭轉(zhuǎn)換器的運作來實現(xiàn)），提高滅火效率。無人機停息在消防機器人上方與整個機體融合，工作時兩邊飛行翼會自動張開，向上飛行；任務完成后，無人機會自動識別，再次飛回到機器人上方，飛翼會收到兩臂內(nèi)側(cè)并折疊向下與外殼貼合，進入備戰(zhàn)狀態(tài)。

圖6 監(jiān)測無人機設計

圖7 消防機器人水炮設計

3.4 操控裝置UI界面設計

結(jié)合消防機器人專業(yè)手持控制器，設計操控平臺的UI界面。消防員可通過界面實現(xiàn)對消防機器人和無人機的位置、操作、滅火模式等監(jiān)測和遠程操控，實時了解火災場所內(nèi)部情況。如發(fā)現(xiàn)傷亡人員，系統(tǒng)會識別人員身份信息，以便更快地進行精準救援。

為了體現(xiàn)科技感，UI界面在配色上選取紅、黑、灰色進行搭配。界面上展示消防機器人所傳送回來的實時火場信息，主要包括：實時圖像、隱患排查、氣體數(shù)值、生命值檢測、火場數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設置、工作日志、用戶登錄，根據(jù)信息種類，將界面劃分為上下兩部分，滑動可切換畫面，重要的部分以文字加以說明，放大字體使界面清晰易懂，操控平臺UI界面設計見圖8。

4 人工智能技術(shù)在消防機器人中的設計應用

4.1 人工智能技術(shù)應用

從輸出系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等方面融入消防機器人設計，可增加自然災害的評估、檢測，在高危環(huán)境下取代人力作業(yè)，協(xié)助分析和高風險評估處置等功能[24-25]，見圖9。

1）輸出系統(tǒng)應用。人工智能在界面顯示時，對采集到的圖像、音頻、視頻進行歸納分類，并可針對性地輸出，如火勢大小、生命體檢測、內(nèi)部火災情況等，有利于準確采取救援措施，節(jié)約救援時間。

2）控制系統(tǒng)應用。人工智能可以高效地控制機器的運動、功能及交互系統(tǒng)。在消防機器人的運動控制上，能進行自動導航到達指定區(qū)域。通過電機驅(qū)動與行走傳感技術(shù)可以跟蹤定位火勢的發(fā)展蔓延趨勢。遠程控制功能可對火場情況探測、水炮噴射角度控制、瞄準功能等進行遠程操控。交互控制功能可在緊急的救援中采用語音和界面觸屏結(jié)合的方式，大大地節(jié)省時間。

圖9 人工智能技術(shù)在消防機器人的應用

3）輸入系統(tǒng)應用。感知信息輸入可通過傳感系統(tǒng)對溫度、視覺、聲音、體感、避障、光敏、超聲波等信息進行識別輸入，保障消防機器人的運行安全與施救作業(yè)。同時，通過多點觸摸屏技術(shù)、隱式輸入技術(shù)實現(xiàn)指令輸入功能。

4）通信系統(tǒng)應用。人工智能的優(yōu)勢是可通過無線通信的方式讓消防機器人自動運作。多采用Wi-Fi、紅外、ZIGBEE通信技術(shù)，實現(xiàn)消防機器人的智能操控。

4.2 消防機器人智能控制系統(tǒng)設計

運用人工智能技術(shù)，在消防機器人和無人機控制器內(nèi)部安裝有信號接發(fā)模塊、定位模塊、計時模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、警報模塊等，同時無人機控制器還裝有飛行掃描模塊和障礙分析模塊，見圖10。

圖10 智能消防機器人控制系統(tǒng)設計

1）信號接發(fā)模塊用于消防機器人和無人機接收和發(fā)送信號。

2）定位模塊用于定位消防機器人和無人機的位置信息。

3）計時模塊用于對消防機器人和無人機的工作時間進行記錄。

4）飛行掃描模塊用于對無人機的飛行前方進行不間斷掃描。

5）數(shù)據(jù)分析模塊可對外部的環(huán)境信息進行分析。

6）數(shù)據(jù)采集模塊用于采集外部的環(huán)境信息，并將環(huán)境信息發(fā)送至數(shù)據(jù)分析模塊，環(huán)境信息包括外部溫度值、外部濕度值、外部煙霧值、外部光亮值和外部圖像。

7）警報模塊用于對火災信息進行警報。

8）障礙分析模塊用于接收飛行掃描模塊發(fā)送的障礙信息。

4.3 智能消防機器人數(shù)據(jù)模塊分析步驟

通過消防機器人和無人機內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析模塊，獲取外部環(huán)境的溫度值、濕度值、煙霧值和亮度值，同時分析火場的火焰顏色判斷火源種類和大小，以此判斷火場環(huán)境和采用何種滅火方式，數(shù)據(jù)分析模塊步驟和計算方式如下。

步驟一：獲取外部環(huán)境中的溫度值d、濕度值d、煙霧值w和亮度值d。

步驟二：利用公式得到外部環(huán)境值j，具體見式（1）。

式中：1、2、3和4均為預設比例系數(shù)固定數(shù)。

步驟三：攝像頭獲取外部圖像的長度和寬度，計算得到該外部圖像的總像素點。

步驟四：遍歷該外部圖像得到火焰顏色的像素點，火焰顏色包括暗紅色、紅色、橙色、黃色、藍白色和白色，計算得到火焰顏色的像素點占比z[5-6]。

步驟五：結(jié)合外部環(huán)境值j和火焰顏色的像素點占比z，利用公式計算得到外部環(huán)境的火災預警值y，具體見式（2）。

步驟六：當火災預警值y大于設定閾值時，生成火災預警信號加載至警報模塊中。

5 結(jié)語

借助KJ法篩選消防機器人需求指標，通過AHP層次分析法研究發(fā)現(xiàn)：消防員對機體防爆性、機體耐火性、爬坡/越障/避障功能評級較高，同時希望具有智能分析火源、規(guī)劃行走路徑、無人機巡查等智能功能。

根據(jù)消防機器人設計要素權(quán)重分析結(jié)果，采用監(jiān)測無人機與消防機器人結(jié)合的方式，運用人工智能技術(shù)嵌入任務分配模塊、警報模塊、飛行調(diào)節(jié)模塊、定位模塊、計時模塊、飛行掃描模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和信號接發(fā)模塊，使路空兩種模式相互配合。無人機具有巡查路徑規(guī)劃、智能分析、定點持續(xù)監(jiān)控和火情報警等功能，消防機器人可進入狹小危險的火場，智能化確定火源種類，配合無人機調(diào)整消防水炮的傾斜高度及轉(zhuǎn)向，可以大大地節(jié)省救援時間。

盡管目前消防機器人的研發(fā)和應用已經(jīng)有了很大的進步，但依然面臨著很多技術(shù)瓶頸。隨著人工智能技術(shù)在消防機器人中的不斷應用，將來消防機器人可完全替代消防員在火災危險的區(qū)域完成滅火和救援任務。

[1] 陳慶暖. 消防滅火機器人及其應用[J]. 消防科學與技術(shù), 2018, 37(5): 644-646. CHEN Qing-nuan. Fire Fighting Robot and Its Application[J]. Fire Science and Technology, 2018, 37(5): 644-646.

[2] 周衛(wèi)華, 張德發(fā). 四輪移動機器人平臺的設計與實現(xiàn)[J]. 電氣自動化, 2018, 40(5): 10-12. ZHOU Wei-hua, ZHANG De-fa. Design of Omni- Directional Mobile Robot with Alternate Wheel[J]. Electrical Automation, 2018, 40(5): 10-12.

[3] ZHOU Yan, WILKINS D, COOK R P. Neural Network Control for a Fire-Fighting Robot[J]. Software - Concepts & Tools, 1998, 19(3): 146-152.

[4] DEARIE S, FISHER K, RAJALA B, et al. Design and Construction of a Fully Autonomous Fire Fighting Robot[C]//Proceedings: Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing and Coil Winding Conference (Cat. No.01CH37264). Cincinnati, OH, USA. IEEE, 2002: 303-310.

[5] ALTAF K, AKBAR A, IJAZ B. Design and Construction of an Autonomous Fire Fighting Robot[C]//2007 International Conference on Information and Emerging Tech-nologies. Karachi, Pakistan. IEEE, 2007: 1-5.

[6] 李彬, 陳帝伊, 馬孝義. 智能滅火機器人系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 機械與電子, 2010, 28(1): 57-61.LI Bin, CHEN Di-yi, MA Xiao-yi. Design and Implementation of Intelligent Fire Fighting Robot System[J]. Machinery & Electronics, 2010, 28(1): 57-61.

[7] PARMAR D. Design and Implementation of an Autono-mous Fire Fighting Robot[D]. Guelph, Ontario, Canada: University of Guelph, 2011.

[8] YE Zi-liu, SU Fu-wen, ZHANG Qing-yong, et al. Intelligent Fire-Fighting Robot Based on STM32[C]//2019 Chinese Automation Congress (CAC). Hangzhou, China. IEEE, 2020: 3369-3373.

[9] GAO Zheng-zhong, WANG Xiao-hui, LI Zhi-wen. Design of Intelligent Line-Trackingrobot Based on STM32[J]. Journal of Measurement Science and Instrumentation, 2014, 5(2): 55-58.

[10] RAKIB T, RASHID SARKAR M A. Design and Fabrication of an Autonomous Fire Fighting Robot with Multisensor Fire Detection Using PID Controller[C]//2016 5th International Conference on Informatics, Electronics and Vision (ICIEV). Dhaka, Bangladesh. IEEE, 2016: 909-914.

[11] RAJU J, MOHAMMED S S, PAUL J V, et al. Development and Implementation of Arduino Microcontroller Based Dual Mode Fire Extinguishing Robot[C]//2017 IEEE International Conference on Intelligent Techniques in Control, Optimization and Signal Processing (INCOS). Srivilliputtur, India. IEEE, 2018: 1-4.

[12] LIU Yong-tao, SUN Rui-zhi, ZHANG Xiang-nan, et al. An Autonomous Positioning Method for Fire Robots with Multi-Source Sensors[J]. Wireless Networks, 2021: 1-13.

[13] 席文姣, 陳帝伊, 馬孝義. 基于ARM9嵌入式系統(tǒng)智能滅火機器人控制器設計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 33(10): 114-117. XI Wen-jiao, CHEN Di-yi, MA Xiao-yi. Design of Controller for Smart Fire-Fighting Robot Based on ARM Embedded System[J]. Modern Electronics Technique, 2010, 33(10): 114-117.

[14] 朱彥亮. 基于ARM9的滅火機器人的設計與實現(xiàn)[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學, 2014. ZHU Yan-liang. The Design and Implementation of ARM9-based Fire-fighting Robot[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2014.

[15] 程麗娜, 陳楊陽. 基于C51單片機的智能滅火機器人的設計與研究[J]. 機器人技術(shù)與應用, 2012(3): 38-41. CHENG Li-na, CHEN Yang-yang. Design and Research of Intelligent Fire-Fighting Robot Based on C51[J]. Robot Technique and Application, 2012(3): 38-41.

[16] 肖明俊, 祝玲, 張生文. 基于51單片機家居智能滅火機器人滅火系統(tǒng)的設計[J]. 硅谷, 2013, 6(9): 14, 12. XIAO Ming-jun, ZHU Ling, ZHANG Sheng-wen. Design of Fire Fighting System for Home Intelligent Fire Fighting Robot Based on 51 Single Chip Microcomputer[J]. Silicon Valley, 2013, 6(9): 14, 12.

[17] 張飛飛, 楊雪松, 高愛宇. 基于STM32的智能滅火機器人設計[J]. 甘肅科技, 2013, 29(12): 13-15. ZHANG Fei-fei, YANG Xue-song, GAO Ai-yu. Design of Intelligent Fire Fighting Robot Based on STM32[J]. Gansu Science and Technology, 2013, 29(12): 13-15.

[18] 楊斌, 劉思美. 基于STM32的智能滅火機器人設計方案[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2016(10): 143.YANG Bin, LIU Si-mei. Design Scheme of Intelligent Fire-Fighting Robot Based on STM32[J]. Shandong Industrial Technology, 2016(10): 143.

[19] 姚蘊珍. 基于STM32的滅火機器人設計[J]. 中國新通信, 2017, 19(17): 43-44. WEN Yun-zhen. Design of Fire Extinguishing Robot Based on STM32 [J]. China New Telecommunications, 2017, 19(17): 43-44.

[20] NADERZADEH M, ARABALIBEIK H, MONAZZAM M R, et al. Comparative Analysis of AHP-TOPSIS and Fuzzy AHP Models in Selecting Appropriate Nanocomposites for Environmental Noise Barrier Applications[J]. Fluctuation and Noise Letters, 2017, 16(4): 1750038.

[21] 川喜田二郎. KJ法[M]. 中央公論社, 1996.Kawakita Jiro. KJ method [M]. Central commune, 1996 Kawakita Jiro. KJ Method[M]. CHUKO, 1996.Kawakita Jiro. KJ method [M]. Central commune, 1996

[22] 孫效華, 張義文, 侯璐, 等. 人工智能產(chǎn)品與服務體系研究綜述[J]. 包裝工程, 2020, 41(10): 49-61.SUN Xiao-hua, ZHANG Yi-wen, HOU Lu, et al. Review on Artificial Intelligence Products and Service System[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(10): 49-61.

[23] 侯建軍, 毛軼超, 許莉鈞. 人工智能背景下設計師能力需求及勝任力模型再建構(gòu)[J]. 包裝工程, 2021, 42(24): 340-348. HOU Jian-jun, MAO Yi-chao, XU Li-jun. Requirements Ability of Designers and Reconstruct the Designers Competency Model under the Background of Artificial Intelligence[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(24): 340- 348.

[24] 李遠, 農(nóng)秉茂. 包裝搬運機器人運動軌跡優(yōu)化設計[J]. 包裝工程, 2020, 41(1): 123-127. LI Yuan, NONG Bing-mao. Optimization Design of Moving Trajectory for Packaging Handling Robot[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(1): 123-127.

[25] 孫玥, 魏欣. 基于ARM的嵌入式包裝搬運機器人控制系統(tǒng)設計[J]. 包裝工程, 2017, 38(23): 172-176. SUN Yue, WEI Xin. Design of Control System for Embedded Packaging and Handling Robot Based on ARM[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(23): 172-176.

Research and Design of Intelligence Crawler Fire Fighting Robot Based on Analytic Hierarchy Process

HOU Jian-jun, MAO Yi-chao, CHEN Li, CHEN Wen-min

(College of Art and Design, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

The work aims to design an intelligent crawler fire fighting robot with unmanned air vehicle (UAV) monitoring functions in virtue of artificial intelligence (AI) technology and fire fighting robot function in order to define the functional demand indicators of the fire fighting robot. Functional demand indicators of the robot above were defined by literature research and market product analysis in virtue of KJ affinity graph. The weighted values of all functional indicators were calculated by questionnaires, interviews and analytic hierarchy process (AHP), and consistency test was completed as well. Then the design practice of the robot was completed from such processes as design positioning, sketch design, structural analysis, functional analysis, application of AI technology, design of intelligent control system, steps of data module analysis and design of interface UI, etc. via the design practice method. 1 target layer, 4 first-level indicators and 13 second-level indicators of demand indicators of the robot are obtained. To be specific, the priority ranking of first-level indicators is safety, functionality, intelligence and aesthetics. Firefighters give high ratings on the explosion resistance, fire resistance and functions of climbing, obstacle crossing and avoidance of the robot. They also show expectations on intelligent functions of the robot, such as intelligent analysis of fire sources, planning of walking paths, and UAV patrol check, etc. At last, an intelligent fire fighting robot with UAV monitoring function is designed by combining the research conclusions and design practice. In virtue of the land and air modes, the UAV is capable of patrol check, path planning, intelligent analysis, fixed point monitoring, fire alarm, etc. as well as fire extinguishing and rescue.

fire fighting robot; analytic hierarchy process (AHP); monitoring UAV; artificial intelligence technology

TB472

A

1001-3563(2023)10-0172-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.10.017

2022–12–05

2023年江蘇高?！扒嗨{工程”中青年學術(shù)帶頭人項目；2022教育部人文社會科學青年基金項目（22YJC760024）；江蘇高校哲學社會科學研究重大項目（2022SJZD115）；南京工程學院高等教育研究課題重點課題（2023GJZD03）；南京工程學院研究生教育教學改革一般課題（2023YJYJG08）；南京工程學院研究生教材建設（2022JC09）

侯建軍（1983—），女，博士，教授，主要研究方向為工業(yè)設計、產(chǎn)品設計、人工智能。

責任編輯：陳作