耿強

（北京極光愿景科技有限公司，北京 102600）

0 引言

PACT 分別對應著機器人用戶、活動、環(huán)境以及技術，結合PACT 關鍵因素即可開展對用戶使用心理與自身情況的深入分析，進而打造出具有針對性的火場內智能消防機器人互動模型。從實際的機器人研究與設計情況來看，可圍繞功能、使用、情感三個核心點，準確定位人機交互的難點，從而及時制定與落實智能消防機器人的優(yōu)化設計措施。通過對北京極光愿景科技有限公司推出的多種智能消防機器人的深入分析，可在明確需求模型包含要素的基礎上，從視覺、聽覺、觸覺3 個角度持續(xù)完善模型，進而得出具體的機器人設計方案。

1 PACT 因素

1.1 PACT 用戶因素

1.1.1 用戶定位

作為一類特種型機器人，相較民用產品，消防機器人具有一定的產品特殊性。消防員是智能消防機器人的主要使用者，相較普通民眾，其使用時需要充分考慮到日常工作的特殊性[1]。為此，對于設計人員來說，在進行消防機器人設計時應從消防人員的心理特征、生理特性等方面確定實際的使用需求，及時發(fā)現存在的問題以細化設計方案，提供完善的機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雜，且會伴隨消防救援時間的推移而受到火場復雜情況的諸多刺激，不僅會對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產安全。為此，明確消防員的實際工作需求極為關鍵，需在對消防員考核標準與招聘信息等內容的深入分析基礎上，對消防員特征進行及時總結[2]。從實際情況來看，其對機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際使用體驗；情感方面的需求則希望機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在聽覺與視覺兩個方面。首先是視覺，作為最為常用的機器人操控感官，多數的火場信息皆基于視覺交互獲取，為此需明確黃綠紅三種顏色會對操作者心理與視覺產生強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對火場情況進行判斷，同時也是支持與機器人進行正常語音交互的關鍵因素。

1.1.3 用戶模型

用戶模型可將用戶需求、價值觀、形象等信息予以充分反映，借助對消防員樣本的全面分析，可搭建相應的用戶模型。首先是新手用戶，其工作壓力相對較大，在積累實戰(zhàn)經驗較少的情況下容易出現機器人操作失誤。為此，需要在設計期間針對這一特性將機器人智能化操作水平予以提升；其次是經驗型用戶，多數在消防救援期間擔任主要的組織者與領導者[4]。為解決操控機器人種類較多而產生的模式切換不方便問題，需要在設計機器人時強化其辨識度與人機交互過程，避免過多記憶信息的硬性要求，確保用戶可獲得高質量的操作體驗。

1.2 PACT 技術因素

用戶在按下按鈕后將會形成一級指令，并在操控器轉換下形成二級指令，借助無線通信設備將指令信息傳輸至機器人。機器人可對火場內部環(huán)境情況進行自動化感知，包括溫濕度等，判斷火場此時情況選擇合適的滅火救援方案。同時，可將信息反饋給用戶，由用戶進行信息判斷以開展后續(xù)工作。輸入方面的技術主要有指令輸入、信息輸入等，并在傳感器配合下充分發(fā)揮壓力傳感技術的操作優(yōu)勢，將信息形成圖像進行傳輸。實際控制期間可基于機器人提供功能進行技術選擇，例如行走、驅動、探測等；交互層面則使用無線通信或有線、無線結合的操控方法。

1.3 PACT 場景因素

地鐵、高層建筑等是消防機器人的主要應用場景，對其使用場所進行研究是推動滅火救援行動快速開展的重要基礎，也是后續(xù)機器人設計研發(fā)的整體方向。在場景因素研究過程中，需要從環(huán)境的實際復雜程度、場所的自身特點、使用人員等多個角度予以考慮[5]。以高層建筑為例，考慮到人員較為復雜且層數較多的實際情況，結合通風與視野較差的自然條件，建議使用吸盤式或破拆式機器人，可配備高性能水炮以實現快速滅火救援隊的目標。操作機器人的控制器應使用抗反光屏幕，并提供更多的燈源支持以方便查看機器人實時狀態(tài)信息。

1.4 PACT 活動因素

首先是消防活動層面。滅火、排煙、偵查等皆為智能消防機器人的關鍵活動，包括準備、開機、行駛、火源確定、障礙躲避、火源到達、水炮調整、滅火八個環(huán)節(jié)。過程中可借助超聲探測器、紅外檢測器等，實現自動的報警與剎車轉向。滅火期間可采取人為或自動控制滅火的方案，建議增設對水炮流量進行調節(jié)的功能。

其次是人機交互層面。主要的交互活動包括機器人啟動、擋位選擇、油門、方向控制、行動停止、信息反饋、制定分析與下達七個環(huán)節(jié)。通過交互活動可以發(fā)現，操作交互是當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，實際使用期間存在著較多的煩瑣過程，操作人員只有經過專業(yè)培訓后才能夠使用[6]。此外，操作機器人對其使用精準性有著較高要求，調整角度或行進路線的過程會浪費較多時間。為此，需要重新根據用戶實際操作需求進行界面設計，以更為直觀的交互方式為核心提高滅火效率。

2 基于PACT 的智能消防機器人設計

2.1 需求模型

PACT 在整個需求模型中并非單獨存在，相互之間存在著影響與作用，進而形成了對需求進行持續(xù)更新與反饋的完整體系。從機器人交互系統的角度來看，無論是用戶還是使用技術，均是在同一場景中形成相互作用?；馂膱鼍白鳛闄C器人最常面對場景，需要基于用戶實際需求與活動要素開展相應的升級工作，也是消防員對機器人進行控制以推進消防工作進程的重要基礎。用戶可基于實際需求開展活動，此時活動將會產生對用戶的反作用力，為用戶提供調整條件[7]。完成所有活動任務后，即可基于活動實際需求開展對技術的持續(xù)升級工作，而升級同樣會對用戶活動造成影響，建立起循環(huán)因素機制，并持續(xù)對機器人這一需求滿足的核心載體造成影響。需求模型的設計需要需求確定的支持，基礎設計需求為產品物理層面的功能需求，諸如滅火、情況探測等；第二層次需求為滿足使用需求，核心為人機交互，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，對應的是價值與審美兩類需求，包括機器人造型、配色、操作界面等，也是實現人機合一的關鍵因素。

2.2 人機交互設計模型

2.2.1 視覺交互

色彩心理學是機器人配色方面應遵循的基礎原則，要求避免同時出現紅黃藍綠，以耐看與主體顏色襯托為主；造型方面則應以方便后續(xù)批量生產為主，建議采取幾何切割這一造型，利于后續(xù)的多結構折彎處理；操作層面則選擇模塊化設計方案，兼顧運動、輔助、現實等功能，可提供多圖標指示，以提供操作便利條件；界面設計以扁平化為主，火場的溫度、濕度、有害氣體濃度等均應直觀顯示；視覺交互方面應確保將人性化原則貫穿其中，并提供自定義按鈕設置功能，可自由對按鈕功能進行調整，也是提高操作容錯率的關鍵措施；硬件層面則主要包括顯示屏與多狀態(tài)的變化指示燈等，抗反光與可旋轉屏幕為硬性要求，指示燈位置位于視線范圍內，以便于對狀態(tài)信息進行隨時觀察。

2.2.2 聽覺交互

語音交互是機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。用戶只需要進行語音指令的下達即可促使機器人完成火場內的救援搶險任務，在方便體驗的同時可有效避免操作失誤[8]。應注意的是，火場環(huán)境通常較為嘈雜，為避免指令失誤，建議可針對性推出耳機、耳麥等設備，將火場環(huán)境對機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

操控器是機器人與用戶間進行觸覺交互的核心裝置，無論是其尺寸還是形狀，均會對觸覺交互的整體質量造成影響。為此，設計操作器時應嚴格遵循人機工程學的基本原則，確保顯示屏與按鈕設置的美觀性與妥當性；材料方面也會對用戶進行觸覺交互的體驗造成影響，應具有耐高溫與抗輻射等特點，在保證操作體驗的同時提高使用安全性；觸覺交互過程中獲得交互體驗同樣極為重要，可為用戶提供震動信息反饋，以保證指令下達與傳遞的準確性。

2.3 設計框架

基于對PACT 理論知識的深入研究，可在聯系機器人實際使用場景與對其功能需求的基礎上，制定具有創(chuàng)新性的設計方案，以匹配機器人實際工作的特殊性。設計框架的要點在于從需求出發(fā)，細化設計要素的同時開展原型構建工作，進而實現科學的功能評估；消防機器人由于有智能操控與智能信息反饋的實際需求，因此應從用戶角度出發(fā)開展研究工作。簡單來說，就是需要明確用戶在社會背景下所產生的心理、生理以及文化差異，為后續(xù)一系列的交互活動開展提供支持；環(huán)境層面的研究則一般從所處社會環(huán)境、物理環(huán)境角度出發(fā)，應用于過程中的交互技術則應從通信角度、輸入與輸出角度以及控制層面細化框架要點[9]。以上過程均需要活動模型的建立與開發(fā)角色的支持，可采取對比分析或列舉等方面細化設計框架，并在確定設計目標后對用戶的機器人使用需求進行總結，包括涉及的環(huán)境要素、使用的功能支撐技術等，也是制定機器人創(chuàng)新設計方案的重要基礎。

2.4 基于PACT 的智能消防機器人設計方案實例展示

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器人為例（圖1），其屬于一類先進的救援設備，設計用于易爆環(huán)境，如石化、燃氣儲罐等。機器人具有防爆和防水功能，因此可確保在危險的火場環(huán)境中安全運行，其主控器采用德國西門子控制系統，穩(wěn)定可靠，使機器人的運行更加精準；履帶采用耐高溫、阻燃橡膠，內部全金屬骨架，確保機器人在各種地形上均能穩(wěn)定運行；機器人系統采取模塊化設計方案，保養(yǎng)與后期升級維護較為方便；機器人采用雙彈簧半主動獨立懸掛減震系統，能夠抵抗一定沖擊，進而提升機器人的耐用性。

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器人

無線通信方面，機器人的通信距離遠大于1km，具有較強的抗干擾能力。同時，其可以通過與消防車或中低壓泵連接，利用壓力水作為動力，驅動機器人的運作。此種設計不僅使機器人能夠利用現有資源，也能有效節(jié)約水資源；機器人的扇葉后方布置了水霧噴頭，能夠進一步霧化，降低塵埃，排煙降溫，有效減弱火情；機器人遠程信息傳輸功能較為強大，可以將圖像和數據實時傳輸至云端，幫助救援人員實時監(jiān)控現場情況；機器人配備了聲音采集功能和3 路攝像頭，可以實時采集現場聲音和圖像，包括前方遠景、后方遠景和熱成像圖像；機器人具有自主避障功能，能夠自動識別障礙物距離，靈敏度高，檢測距離遠。這使得機器人在復雜火場環(huán)境中也能夠維持正常的運行狀態(tài)，不會受到障礙物的阻礙；機器人自身具有一定的負載能力，可以拖載救援車進入災害現場，及時對被困人員進行救援。

3 結語

綜上所述，現代社會的發(fā)展與進步，在給人們帶來諸多便利工作與生活條件的同時，也由于各類電器數量的日益增長提高了火災事故的整體發(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，設計一套切實可行的智能消防機器人操控與使用方案極為關鍵，應將其作為未來消防事業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要趨勢，進而有效降低消防員的職業(yè)風險。