摘要：在利用消防車進行滅火救援時，消防系統(tǒng)主要依靠消防員的操作熟練程度，這極大影響了救援效率。本文設(shè)計了一種自主規(guī)劃智能導航系統(tǒng)，對火場目標定位單元進行火源識別和測距，控制器接收目標位置信息，采用蟻群算法進行路徑規(guī)劃，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能算法進行路徑規(guī)劃，并將主臂角度、長度和曲臂角度數(shù)據(jù)傳遞給顯示器，用戶根據(jù)信息進行變幅、伸縮操作。本系統(tǒng)能夠降低消防員的操作難度，實現(xiàn)良好的控制效果，提高滅火效率。

關(guān)鍵詞：消防車；路徑規(guī)劃；智能導航；人機交互

引言

消防車作為一種特種車輛，主要用于高層建筑、石油化工裝置、倉庫等火災(zāi)的救援以及其他災(zāi)害事件中的搶險救援和社會救助[1]。目前消防車控制系統(tǒng)允許操縱人員依據(jù)操作說明，通過手柄精準控制臂架的回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮等動作，實現(xiàn)工作平臺的高效定位。在當前的消防車控制系統(tǒng)中，雖然操縱人員能夠依據(jù)操作說明通過手柄對臂架進行回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮等動作，但若缺乏系統(tǒng)提供的明確引導信息，操作者想要迅速抵達目標點，必須對登高消防車的幅度曲線有深入理解。然而，若缺乏這種理解，加之對車輛?？课恢谩⒈奂芙嵌燃吧扉L量的選擇不當，可能會導致無法準確到達目標點，這無疑會嚴重削弱搶險救援的時效性和效率。因此，優(yōu)化消防車控制系統(tǒng)的導航與引導功能，對于提升救援效率和保障救援安全至關(guān)重要[2]。為提高救援效率，消防車大多采用一鍵式觸發(fā)命令的臂架控制方法。本文圍繞54米登高平臺消防車，構(gòu)建了一套自主路徑規(guī)劃智能導航系統(tǒng)。通過火場目標定位單元進行火源識別和測距，控制器接收目標位置信息，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行路徑規(guī)劃，通過人機交互顯示裝置為操作者提供直觀的指導，從而確保臂架能夠迅速且準確地到達預(yù)定的目標點。

一、智能導航系統(tǒng)框架

（一）登高平臺消防車

登高平臺消防車是舉高消防車的一種，在高層建筑救援過程中十分重要[3]。整車分為上、下車兩大部分。上車主要有轉(zhuǎn)臺、伸縮臂、曲臂、工作平臺、云梯、上車消防系統(tǒng)、電液軟管輸送系統(tǒng)等部分。下車主要有副車架、走臺板及器材箱總成、下車消防系統(tǒng)等部分。舉高作業(yè)的動力由液壓系統(tǒng)提供，舉高作業(yè)的安全控制由電氣系統(tǒng)實現(xiàn)。登高平臺消防車救援需要操作手柄完成臂架回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮等動作。

（二）智能導航系統(tǒng)框架

登高平臺消防車的臂架控制系統(tǒng)由檢測模塊、PLC控制模塊、交互顯示模塊、執(zhí)行模塊組成。系統(tǒng)通過火車目標識別單元進行目標位置信息確定，控制器接收目標信息，通過路徑規(guī)劃算法自動優(yōu)化最佳姿態(tài)，在顯示器上輸出提示信息，操作人員根據(jù)顯示器上的提示信息操作手柄，控制器根據(jù)手柄信息輸出PWM信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，進行主臂變幅、伸縮和曲臂變幅的運動控制，使工作平臺盡快到達目標位置。

1.檢測模塊

檢測模塊負責火源信息的定位檢測，并實時監(jiān)測臂架角度、長度，通過CAN總線或者PLC端口采集信息到控制器。手柄信號通過PLC輸入端口傳遞給控制器。

2.PLC控制模塊

PLC控制模塊作為整個系統(tǒng)的核心，集成了多個關(guān)鍵功能單元，包括CAN總線通信、輸入端口、輸出端口和智能導航路徑規(guī)劃計算，其功能包括控制器的CAN總線通信實現(xiàn)PLC、顯示器和總線型回轉(zhuǎn)角度傳感器之間的數(shù)據(jù)通信；控制器的輸入端口實時接收主臂長度、角度和曲臂角度等位置信息；控制器的智能導航路徑規(guī)劃計算模塊計算出到達目標點的主臂角度、主長度和曲臂角度數(shù)據(jù)；控制器的輸出端口輸出主臂變幅閥、回轉(zhuǎn)閥和曲臂變幅閥的電流信號，驅(qū)動臂架執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)智能導航路徑規(guī)劃計算出的角度和長度運行，確保精確到達目標點。控制器采用威卡公司的T系列控制器。

3.交互顯示模塊

顯示器的人機交互界面用于顯示消防車的實時狀態(tài)信息，包括主臂的實時角度、實時長度和曲臂的實時角度，并顯示智能導航路徑規(guī)劃信息，包括規(guī)劃到達目標點的主臂角度、長度和曲臂角度。ICP6600顯示器主要用來接收控制器的車輛狀態(tài)信息和智能導航信息。界面實時顯示消防車的狀態(tài)參數(shù)，方便操作人員操作。人機交互界面以威卡公司的ICP6600系列顯示器為主體進行設(shè)計，該顯示器采用Flash軟件平臺設(shè)計出顯示界面，利用FlashDevelop編程[4]。

4.執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊主要由電液比例閥組和油缸執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。該模塊接收控制器輸出的電信號。通過精確調(diào)控的液壓動力裝置，該模塊能夠驅(qū)動臂架結(jié)構(gòu)，使其按照預(yù)設(shè)的指令完成相應(yīng)動作。

二、智能導航系統(tǒng)原理

（一）數(shù)學模型

以DG54C登高消防車為例，其臂架系統(tǒng)由3個折疊臂和1個曲臂組成，根據(jù)變幅臂角度、伸縮臂長度、折臂角度和飛臂角度能確定臂架末端工作斗的唯一位置[5]。我們定義l₁為主臂長度，α為主臂角度，l₂為曲臂長度，β為主臂與曲臂之間的夾角。此外，R表示主臂后絞點到曲臂前絞點之間的水平距離，H代表平臺底部到主臂后絞點的垂直距離[6]?；谶@些參數(shù)，我們可以進行以下的高度和幅度計算。

l₁cosα+l₂cos（α+β-180°）=R

l₁sinα+l₂sin（α+β-180°）=H

基于登高消防車的實際作業(yè)需求，設(shè)定主曲臂夾角β為180°作為主臂有效工作的最小極限角度；主曲臂夾角β達到90°，視為主臂有效工作的最大極限角度。工作平臺的位置對應(yīng)無數(shù)種臂架姿態(tài)，即變幅角度、伸縮長度、折臂角度和飛臂角度的各種組合。從這無數(shù)種臂架姿態(tài)中尋找出一種最合理的姿態(tài)，是本系統(tǒng)的核心問題，也是路徑的合理規(guī)劃問題。

（二）路徑規(guī)劃算法

1.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也叫誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由一層或多層非線性處理單元組成。相鄰層之間通過突觸權(quán)重系數(shù)連接起來，一般前一層的輸出作為下一層的輸入。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦工作方式的數(shù)學模型，具有良好的自適應(yīng)信息處理能力[7]。其中[x₁，…，x_n]T為輸入向量，y為輸出，f為激發(fā)函數(shù)，θ為閾值。Wi為神經(jīng)元與其他神經(jīng)元的連接強度，也稱權(quán)值。模型可描述為：

Net_i=∑_jW_ijx_j+s_i-θ_i （3-1）

u_i=f（Net_i） （3-2）

y_i=g（u_i）=h（Net_i） （3-3）

通常情況下，可以假設(shè)：

g（u_i）=u_i

即

y_i=f（Net_i）

本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行消防車臂架路徑規(guī)劃，目標點坐標和固定角度、臂長作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，臂架角度、長度和曲臂角度作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。構(gòu)建了六輸入、三輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。選擇具有一個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行路徑優(yōu)化問題求解。

2.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的核心是求解誤差函數(shù)的最小值。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)誤差梯度下降法對每層的閾值與權(quán)值進行調(diào)整，存在收斂速度慢、學習效率低、泛化能力弱、易陷入局部極小值等缺點，因此對算法進行改進仍然是需要的[8]。登高平臺消防車的路徑規(guī)劃屬于連續(xù)路徑運動，在規(guī)劃此類運動時，需考慮臂架的起始位置和終止位置。臂架的起始位置信息為l₁=10.4，l₂=5.7m，α₁=80°，β₁=100°，以54米消防車的100組實測數(shù)據(jù)為訓練樣本，完成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練。

（三）智能導航系統(tǒng)路徑規(guī)劃流程

在智能導航系列路徑規(guī)劃中，首先通過火源監(jiān)控單元檢測出火源目標，確定目標距離，顯示器顯示位置信息，信息輸入控制器，控制器驗證目標點的有效性。一旦確認目標點有效，控制器將啟動路徑規(guī)劃程序。確定目標點的坐標（P_x，P_y，P_z），通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行路徑規(guī)劃，輸出最終的主臂角度、主臂長度和曲臂角度。通過CAN總線通信方式將信息傳遞給顯示器，顯示器實時顯示導航引導信息，操作者根據(jù)導航引導信息的提示，操作主臂變幅、主臂伸縮和曲臂變幅手柄，調(diào)整主臂角度、主臂長度和曲臂角度，最終準確達到目標點。

在建立顯示器、控制器、火源定位裝置、操作手柄和臂架執(zhí)行機構(gòu)的硬件平臺后，成功構(gòu)建了一個智能路徑規(guī)劃系統(tǒng)。其實施步驟包括S1—S4，具體如下。S1：通過火源監(jiān)測系統(tǒng)進行目標定位，確定目標點的坐標，并將這些坐標轉(zhuǎn)化成消防車臂架的幅度、高度和回轉(zhuǎn)角度。S2：根據(jù)計算出的幅度、高度和回轉(zhuǎn)角度，判斷是否有效，即目標點的位置是否安全，是否處于幅度曲線規(guī)定的范圍內(nèi)。如果不在，判斷該目標點無效，否則進入下一步。S3：根據(jù)訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行路徑規(guī)劃，輸出主臂角度、主臂長度和曲臂角度。S4：系統(tǒng)將主臂角度、長度和曲臂角度信息傳遞給顯示器，用戶根據(jù)提示信息操作手柄變幅、伸縮和回轉(zhuǎn)，到達目標點。

三、人機交互界面設(shè)計

人機交互界面實時顯示臂架狀態(tài)信息，包括主臂角度、長度、高度和幅度，并對操作者進行操作提示。

結(jié)語

智能導航路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠根據(jù)火源目標定位系統(tǒng)進行目標定位，判斷目標點在工作幅度范圍后，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法確定目標點的最優(yōu)路徑。該系統(tǒng)采用火源目標定位方式準確定位目標點，有效規(guī)避人為觀察的不準確性和碰撞可能，極大提升了登高消防車的救援效率和車輛安全性。參考文獻

[1]魏翼.消防車輛智能管理系統(tǒng)設(shè)計探究[J].智慧中國，2023（10）：71-72.

[2]黎蓉.城市主戰(zhàn)消防車參數(shù)化設(shè)計研究及系統(tǒng)開發(fā)[D].中國礦業(yè)大學，2019.

[3]崔云龍.高層建筑火災(zāi)滅火救援中云梯消防車的應(yīng)用探究[J].中國設(shè)備工程，2023（02）：20-22.

[4]葛步凱.舉高消防車維護保養(yǎng)內(nèi)容及方法[J].設(shè)備管理與維修，2022（01）：11-13.

[5]隋曉東，呂曉東，袁哲善.DG32型登高平臺消防車臂架結(jié)構(gòu)仿真分析及優(yōu)化研究[J].專用汽車，2022（07）：41-44.

[6]陳浩然.基于觀測器的折臂式高空作業(yè)車軌跡跟蹤控制研究[D].內(nèi)蒙古科技大學，2021.

[7]趙晶.基于混合鯨魚粒子群算法的機械手運動規(guī)劃與控制[D].中北大學，2022.

[8]張勇.一種登高平臺消防車的控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].中國礦業(yè)大學，2019.