耿強(qiáng)

（北京極光愿景科技有限公司，北京 102600）

0 引言

PACT 分別對(duì)應(yīng)著機(jī)器人用戶、活動(dòng)、環(huán)境以及技術(shù)，結(jié)合PACT 關(guān)鍵因素即可開展對(duì)用戶使用心理與自身情況的深入分析，進(jìn)而打造出具有針對(duì)性的火場(chǎng)內(nèi)智能消防機(jī)器人互動(dòng)模型。從實(shí)際的機(jī)器人研究與設(shè)計(jì)情況來看，可圍繞功能、使用、情感三個(gè)核心點(diǎn)，準(zhǔn)確定位人機(jī)交互的難點(diǎn)，從而及時(shí)制定與落實(shí)智能消防機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。通過對(duì)北京極光愿景科技有限公司推出的多種智能消防機(jī)器人的深入分析，可在明確需求模型包含要素的基礎(chǔ)上，從視覺、聽覺、觸覺3 個(gè)角度持續(xù)完善模型，進(jìn)而得出具體的機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。

1 PACT 因素

1.1 PACT 用戶因素

1.1.1 用戶定位

作為一類特種型機(jī)器人，相較民用產(chǎn)品，消防機(jī)器人具有一定的產(chǎn)品特殊性。消防員是智能消防機(jī)器人的主要使用者，相較普通民眾，其使用時(shí)需要充分考慮到日常工作的特殊性[1]。為此，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，在進(jìn)行消防機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從消防人員的心理特征、生理特性等方面確定實(shí)際的使用需求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題以細(xì)化設(shè)計(jì)方案，提供完善的機(jī)器人操作使用支持條件。

1.1.2 生理與心理差異

由于工作影響，使得消防員心理特征與行為較為復(fù)雜，且會(huì)伴隨消防救援時(shí)間的推移而受到火場(chǎng)復(fù)雜情況的諸多刺激，不僅會(huì)對(duì)消防員自身造成不良影響，同樣不利于民眾的生命健康與財(cái)產(chǎn)安全。為此，明確消防員的實(shí)際工作需求極為關(guān)鍵，需在對(duì)消防員考核標(biāo)準(zhǔn)與招聘信息等內(nèi)容的深入分析基礎(chǔ)上，對(duì)消防員特征進(jìn)行及時(shí)總結(jié)[2]。從實(shí)際情況來看，其對(duì)機(jī)器人操作的功能需求以操作便捷與界面容易理解為主，配合良好的交互功能可保證用戶實(shí)際使用體驗(yàn)；情感方面的需求則希望機(jī)器人成為自己的貼心助手，可靠的工作性能可幫助消防員有效緩解自身所產(chǎn)生的緊張情緒。

需要注意的是，在生理層面消防員之間的生理差異主要體現(xiàn)在聽覺與視覺兩個(gè)方面。首先是視覺，作為最為常用的機(jī)器人操控感官，多數(shù)的火場(chǎng)信息皆基于視覺交互獲取，為此需明確黃綠紅三種顏色會(huì)對(duì)操作者心理與視覺產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激這一基本情況[3]；其次是聽覺，消防人員只有具備正常聽覺能力才能夠及時(shí)對(duì)火場(chǎng)情況進(jìn)行判斷，同時(shí)也是支持與機(jī)器人進(jìn)行正常語音交互的關(guān)鍵因素。

1.1.3 用戶模型

用戶模型可將用戶需求、價(jià)值觀、形象等信息予以充分反映，借助對(duì)消防員樣本的全面分析，可搭建相應(yīng)的用戶模型。首先是新手用戶，其工作壓力相對(duì)較大，在積累實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)較少的情況下容易出現(xiàn)機(jī)器人操作失誤。為此，需要在設(shè)計(jì)期間針對(duì)這一特性將機(jī)器人智能化操作水平予以提升；其次是經(jīng)驗(yàn)型用戶，多數(shù)在消防救援期間擔(dān)任主要的組織者與領(lǐng)導(dǎo)者[4]。為解決操控機(jī)器人種類較多而產(chǎn)生的模式切換不方便問題，需要在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)強(qiáng)化其辨識(shí)度與人機(jī)交互過程，避免過多記憶信息的硬性要求，確保用戶可獲得高質(zhì)量的操作體驗(yàn)。

1.2 PACT 技術(shù)因素

用戶在按下按鈕后將會(huì)形成一級(jí)指令，并在操控器轉(zhuǎn)換下形成二級(jí)指令，借助無線通信設(shè)備將指令信息傳輸至機(jī)器人。機(jī)器人可對(duì)火場(chǎng)內(nèi)部環(huán)境情況進(jìn)行自動(dòng)化感知，包括溫濕度等，判斷火場(chǎng)此時(shí)情況選擇合適的滅火救援方案。同時(shí)，可將信息反饋給用戶，由用戶進(jìn)行信息判斷以開展后續(xù)工作。輸入方面的技術(shù)主要有指令輸入、信息輸入等，并在傳感器配合下充分發(fā)揮壓力傳感技術(shù)的操作優(yōu)勢(shì)，將信息形成圖像進(jìn)行傳輸。實(shí)際控制期間可基于機(jī)器人提供功能進(jìn)行技術(shù)選擇，例如行走、驅(qū)動(dòng)、探測(cè)等；交互層面則使用無線通信或有線、無線結(jié)合的操控方法。

1.3 PACT 場(chǎng)景因素

地鐵、高層建筑等是消防機(jī)器人的主要應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)其使用場(chǎng)所進(jìn)行研究是推動(dòng)滅火救援行動(dòng)快速開展的重要基礎(chǔ)，也是后續(xù)機(jī)器人設(shè)計(jì)研發(fā)的整體方向。在場(chǎng)景因素研究過程中，需要從環(huán)境的實(shí)際復(fù)雜程度、場(chǎng)所的自身特點(diǎn)、使用人員等多個(gè)角度予以考慮[5]。以高層建筑為例，考慮到人員較為復(fù)雜且層數(shù)較多的實(shí)際情況，結(jié)合通風(fēng)與視野較差的自然條件，建議使用吸盤式或破拆式機(jī)器人，可配備高性能水炮以實(shí)現(xiàn)快速滅火救援隊(duì)的目標(biāo)。操作機(jī)器人的控制器應(yīng)使用抗反光屏幕，并提供更多的燈源支持以方便查看機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

1.4 PACT 活動(dòng)因素

首先是消防活動(dòng)層面。滅火、排煙、偵查等皆為智能消防機(jī)器人的關(guān)鍵活動(dòng)，包括準(zhǔn)備、開機(jī)、行駛、火源確定、障礙躲避、火源到達(dá)、水炮調(diào)整、滅火八個(gè)環(huán)節(jié)。過程中可借助超聲探測(cè)器、紅外檢測(cè)器等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的報(bào)警與剎車轉(zhuǎn)向。滅火期間可采取人為或自動(dòng)控制滅火的方案，建議增設(shè)對(duì)水炮流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能。

其次是人機(jī)交互層面。主要的交互活動(dòng)包括機(jī)器人啟動(dòng)、擋位選擇、油門、方向控制、行動(dòng)停止、信息反饋、制定分析與下達(dá)七個(gè)環(huán)節(jié)。通過交互活動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)，操作交互是當(dāng)下最主要使用的交互功能，主要為操作器或操作桿控制。該種操作方法較為傳統(tǒng)，實(shí)際使用期間存在著較多的煩瑣過程，操作人員只有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)后才能夠使用[6]。此外，操作機(jī)器人對(duì)其使用精準(zhǔn)性有著較高要求，調(diào)整角度或行進(jìn)路線的過程會(huì)浪費(fèi)較多時(shí)間。為此，需要重新根據(jù)用戶實(shí)際操作需求進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，以更為直觀的交互方式為核心提高滅火效率。

2 基于PACT 的智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 需求模型

PACT 在整個(gè)需求模型中并非單獨(dú)存在，相互之間存在著影響與作用，進(jìn)而形成了對(duì)需求進(jìn)行持續(xù)更新與反饋的完整體系。從機(jī)器人交互系統(tǒng)的角度來看，無論是用戶還是使用技術(shù)，均是在同一場(chǎng)景中形成相互作用?；馂?zāi)場(chǎng)景作為機(jī)器人最常面對(duì)場(chǎng)景，需要基于用戶實(shí)際需求與活動(dòng)要素開展相應(yīng)的升級(jí)工作，也是消防員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制以推進(jìn)消防工作進(jìn)程的重要基礎(chǔ)。用戶可基于實(shí)際需求開展活動(dòng)，此時(shí)活動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生對(duì)用戶的反作用力，為用戶提供調(diào)整條件[7]。完成所有活動(dòng)任務(wù)后，即可基于活動(dòng)實(shí)際需求開展對(duì)技術(shù)的持續(xù)升級(jí)工作，而升級(jí)同樣會(huì)對(duì)用戶活動(dòng)造成影響，建立起循環(huán)因素機(jī)制，并持續(xù)對(duì)機(jī)器人這一需求滿足的核心載體造成影響。需求模型的設(shè)計(jì)需要需求確定的支持，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需求為產(chǎn)品物理層面的功能需求，諸如滅火、情況探測(cè)等；第二層次需求為滿足使用需求，核心為人機(jī)交互，可通過提供的信息反饋條件采取語音或遙控操作；第三層次則為情感，對(duì)應(yīng)的是價(jià)值與審美兩類需求，包括機(jī)器人造型、配色、操作界面等，也是實(shí)現(xiàn)人機(jī)合一的關(guān)鍵因素。

2.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)模型

2.2.1 視覺交互

色彩心理學(xué)是機(jī)器人配色方面應(yīng)遵循的基礎(chǔ)原則，要求避免同時(shí)出現(xiàn)紅黃藍(lán)綠，以耐看與主體顏色襯托為主；造型方面則應(yīng)以方便后續(xù)批量生產(chǎn)為主，建議采取幾何切割這一造型，利于后續(xù)的多結(jié)構(gòu)折彎處理；操作層面則選擇模塊化設(shè)計(jì)方案，兼顧運(yùn)動(dòng)、輔助、現(xiàn)實(shí)等功能，可提供多圖標(biāo)指示，以提供操作便利條件；界面設(shè)計(jì)以扁平化為主，火場(chǎng)的溫度、濕度、有害氣體濃度等均應(yīng)直觀顯示；視覺交互方面應(yīng)確保將人性化原則貫穿其中，并提供自定義按鈕設(shè)置功能，可自由對(duì)按鈕功能進(jìn)行調(diào)整，也是提高操作容錯(cuò)率的關(guān)鍵措施；硬件層面則主要包括顯示屏與多狀態(tài)的變化指示燈等，抗反光與可旋轉(zhuǎn)屏幕為硬性要求，指示燈位置位于視線范圍內(nèi)，以便于對(duì)狀態(tài)信息進(jìn)行隨時(shí)觀察。

2.2.2 聽覺交互

語音交互是機(jī)器人操作界面的核心操控形式，解決了以往交互期間的諸多操作不便問題。用戶只需要進(jìn)行語音指令的下達(dá)即可促使機(jī)器人完成火場(chǎng)內(nèi)的救援搶險(xiǎn)任務(wù)，在方便體驗(yàn)的同時(shí)可有效避免操作失誤[8]。應(yīng)注意的是，火場(chǎng)環(huán)境通常較為嘈雜，為避免指令失誤，建議可針對(duì)性推出耳機(jī)、耳麥等設(shè)備，將火場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)器人與用戶的外在不良影響予以最大限度地消除。

2.2.3 觸覺交互

操控器是機(jī)器人與用戶間進(jìn)行觸覺交互的核心裝置，無論是其尺寸還是形狀，均會(huì)對(duì)觸覺交互的整體質(zhì)量造成影響。為此，設(shè)計(jì)操作器時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循人機(jī)工程學(xué)的基本原則，確保顯示屏與按鈕設(shè)置的美觀性與妥當(dāng)性；材料方面也會(huì)對(duì)用戶進(jìn)行觸覺交互的體驗(yàn)造成影響，應(yīng)具有耐高溫與抗輻射等特點(diǎn)，在保證操作體驗(yàn)的同時(shí)提高使用安全性；觸覺交互過程中獲得交互體驗(yàn)同樣極為重要，可為用戶提供震動(dòng)信息反饋，以保證指令下達(dá)與傳遞的準(zhǔn)確性。

2.3 設(shè)計(jì)框架

基于對(duì)PACT 理論知識(shí)的深入研究，可在聯(lián)系機(jī)器人實(shí)際使用場(chǎng)景與對(duì)其功能需求的基礎(chǔ)上，制定具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案，以匹配機(jī)器人實(shí)際工作的特殊性。設(shè)計(jì)框架的要點(diǎn)在于從需求出發(fā)，細(xì)化設(shè)計(jì)要素的同時(shí)開展原型構(gòu)建工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)的功能評(píng)估；消防機(jī)器人由于有智能操控與智能信息反饋的實(shí)際需求，因此應(yīng)從用戶角度出發(fā)開展研究工作。簡(jiǎn)單來說，就是需要明確用戶在社會(huì)背景下所產(chǎn)生的心理、生理以及文化差異，為后續(xù)一系列的交互活動(dòng)開展提供支持；環(huán)境層面的研究則一般從所處社會(huì)環(huán)境、物理環(huán)境角度出發(fā)，應(yīng)用于過程中的交互技術(shù)則應(yīng)從通信角度、輸入與輸出角度以及控制層面細(xì)化框架要點(diǎn)[9]。以上過程均需要活動(dòng)模型的建立與開發(fā)角色的支持，可采取對(duì)比分析或列舉等方面細(xì)化設(shè)計(jì)框架，并在確定設(shè)計(jì)目標(biāo)后對(duì)用戶的機(jī)器人使用需求進(jìn)行總結(jié)，包括涉及的環(huán)境要素、使用的功能支撐技術(shù)等，也是制定機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的重要基礎(chǔ)。

2.4 基于PACT 的智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)方案實(shí)例展示

以北京極光愿景科技有限公司所推出的防爆消防排煙偵查機(jī)器人為例（圖1），其屬于一類先進(jìn)的救援設(shè)備，設(shè)計(jì)用于易爆環(huán)境，如石化、燃?xì)鈨?chǔ)罐等。機(jī)器人具有防爆和防水功能，因此可確保在危險(xiǎn)的火場(chǎng)環(huán)境中安全運(yùn)行，其主控器采用德國西門子控制系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠，使機(jī)器人的運(yùn)行更加精準(zhǔn)；履帶采用耐高溫、阻燃橡膠，內(nèi)部全金屬骨架，確保機(jī)器人在各種地形上均能穩(wěn)定運(yùn)行；機(jī)器人系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)方案，保養(yǎng)與后期升級(jí)維護(hù)較為方便；機(jī)器人采用雙彈簧半主動(dòng)獨(dú)立懸掛減震系統(tǒng)，能夠抵抗一定沖擊，進(jìn)而提升機(jī)器人的耐用性。

圖1 北京極光愿景科技有限公司所推出的防爆消防排煙偵查機(jī)器人

無線通信方面，機(jī)器人的通信距離遠(yuǎn)大于1km，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，其可以通過與消防車或中低壓泵連接，利用壓力水作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)作。此種設(shè)計(jì)不僅使機(jī)器人能夠利用現(xiàn)有資源，也能有效節(jié)約水資源；機(jī)器人的扇葉后方布置了水霧噴頭，能夠進(jìn)一步霧化，降低塵埃，排煙降溫，有效減弱火情；機(jī)器人遠(yuǎn)程信息傳輸功能較為強(qiáng)大，可以將圖像和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云端，幫助救援人員實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況；機(jī)器人配備了聲音采集功能和3 路攝像頭，可以實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)聲音和圖像，包括前方遠(yuǎn)景、后方遠(yuǎn)景和熱成像圖像；機(jī)器人具有自主避障功能，能夠自動(dòng)識(shí)別障礙物距離，靈敏度高，檢測(cè)距離遠(yuǎn)。這使得機(jī)器人在復(fù)雜火場(chǎng)環(huán)境中也能夠維持正常的運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)受到障礙物的阻礙；機(jī)器人自身具有一定的負(fù)載能力，可以拖載救援車進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)對(duì)被困人員進(jìn)行救援。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，在給人們帶來諸多便利工作與生活條件的同時(shí)，也由于各類電器數(shù)量的日益增長提高了火災(zāi)事故的整體發(fā)生概率，消防人員在救火期間的生命健康安全受到了較大威脅。為此，設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的智能消防機(jī)器人操控與使用方案極為關(guān)鍵，應(yīng)將其作為未來消防事業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，進(jìn)而有效降低消防員的職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。