全自动履带式侦测灭火器产品设计

马煜轩 何芷琪

（1、湖南工业大学包装设计艺术学院，湖南 株洲 412007 2、湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412007）

1 概述

1.1 履带式灭火器国内外研究发展现状

我国履带式灭火器与国外履带式灭火器行业相比起步较晚，研发和生产落后于日本和美国。在21世纪早期，我国的消防设备应用处于初始阶段，火场指挥与控制基本靠消防救援人员临机应变、人工灭火。随着我国的综合国力、经济水平、科技水平的提升，以及国家对应急管理的重视，近几年我国消防机器人产业发展迅速，有望实现追赶甚至反超外国[1]。

国际上较早开展履带式消防机器人研究的是美国和前苏联，随后英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究。目前已有很多种不同功能的履带式灭火器用于救灾现场。

1.2 我国消防机器人要面对的困难

1.2.1 消防机器人的研发瓶颈：国内消防机器人起步较晚，且多为传统机械装备。消防设备生产企业从事这方面的研发工作，更多地着重在消防机器人上实现现有的消防类功能，对于消防机器人的侦探技术和智能化等方面有着研发乏力的共性。

1.2.2 消防机器人的零件供应困难：消防机器人为机器人的分支之一，不可避免地受到了同样的制约：国产机器人用关键零部件在性能、可靠性、使用寿命等方面存在较大不足，因而长期依赖进口。这对国内机器人市场今后的发展壮大是非常不利的一个因素，甚至可以说是极大的隐患。

1.2.3 消防机器人的技术瓶颈：对目前国内外已研制出的消防机器人进行深入细致的分析比较后发现，现在消防机器人存在的问题:环境识别能力较弱，往往只能对单一指标进行判断，对环境的发展状况不能掌握;通用性不够，研发的消防机器人过于专业，仅针对某一危险状况工作；当机器人工作，只（转下页）能对所处位置作业，缺乏收集三维空间危险信息的能力。

1.2.4 推广艰难：消防机器人的应用毋庸置疑具有很多优点，但是想要大范围的推广消防机器人还是一个长期过程，制约其大规模应用的瓶颈主要有以下几个：

1.2.4.1 消防机器人造价高昂、维护保养费用高、需要专业人员养护。除了国内一线城市，国内大部分地区还没有能力配备。

1.2.4.2 受限于当前的人工智能技术发展水平，消防机器人还不够智能，不能取代人的全面工作。[2]

1.3 产品研究的意义

与其他灭火设备相比，履带式灭火器最大的功能在于它能更好地适应林区或者工矿厂区各种复杂的环境地形，进行迅速灭火，环境适应性强，优胜于其他灭火类型产品。可森林火灾与城市火灾不同，由于森林可燃物较多，火势蔓延迅速，消防员进行近距离灭火存在较大的不确定性和危险性。履带式灭火器可以进行远距离遥控灭火，使得在火灾发生时，大大减少消防人员在森林灭火时造成的伤亡。

2 产品介绍

2.1 行走机构（固定式履带行走机构）

针对全自动侦测灭火器应用场景的地形分析，其主要的工作环境集中于林区崎岖地形以及各种工矿厂区、石油化工厂、大型仓库等易燃易爆有辐射的场所。这些地方地形复杂，消防人员以及其他消防产品无法很好地在火灾场景中应用，然而，履带式灭火器就能很好地解决这一问题。

图1 本产品的履带结构

本产品主要选择了固定式履带行走机构，其特点是导向轮不作支撑，驱动能力、承载能力和稳定性表现更佳，能避免在复杂地貌中巡航时能因卷入泥土而造成的磨损和失效，从而提高驱动轮和导向轮的使用寿命。并且在雨、雪、冰等坡度路面提高地面摩擦力，避免出现车轮空转。而履带的接地长度足够通过较宽的沟壑沟。[3]

从技术的角度来看，履带的作用是借助与其啮合的主动轮传递驱动力矩或制动力矩，依靠与地面的相互作用产生牵引力或制动力。负重轮支撑紧紧压在下支履带上，能增大下支履带与地面的接触面积，而履带上的凹凸纹理则能增加其附着性能。

履带结构的材质选择主要集中在金属和橡胶，金属主要应用在大型设备中，而橡胶的特点是质量较小，耐热性能较金属表现高于金属，所以本产品的履带结构主要选用橡胶材质。

2.2 喷水机构的选择（高压柱式喷水）

喷水机构主要作用是完成喷水方向的确定，完成俯仰、旋转等动作转换，达到精准喷射。本机构主要由驱动机构、传动机构和本体构成。

为了适应各种火场环境需要用到不同喷口、配备的喷口组合器、旋转咬合器和360度无死角喷口可使灭火效率达到更佳。考虑到本机器人不仅使用自身储水进行作业，还会有连接消防供水车和消防拴的需要，所以在水炮末端还装有标准消防快速接口。

图2 喷水机构+全自动履带式灭火器爆炸图

3 全自动履带式侦测灭火器设计

3.1 监测技术（摄像烟雾火灾检测技术）

侦测火灾技术路线：基于不同的火灾侦测方法,和与早期火灾各种特征的检测技术进行对比,分析早期的火灾实时侦测方法进行痛点分析。与传统的传感器火灾探测技术相比,烟雾火灾检测技术更能及时侦测火灾各种信息，比如火灾的位置、火灾范围增长比率等,也能适用于更广泛的复杂空间，增强侦测火灾的能力、噪声过滤、边缘检测和频率检测等应用。

技术流程：先通过摄像头对烟雾数据进行采集，之后建立数据库，对数据库的数据内容进行分析，同时在监控场景，通过摄像头获取视频序列。两者进行比对监测是否为烟雾，确认则进行报警通知。

图3 监测数据分析流程

将火灾各种特征的检测结果与烟雾的检测结果进行对比分析,设置模块库,输出警报信息。最后进行仿真实验，实验结果表明该方法能有效的识别出火灾发生。并具有更快的运算速度和一定的抗干扰能力。

基于传统的传感器火灾检测技术只适用于较小的空间,且在环境较恶劣的情况下传感器容易失效,不利于火灾的检测。本产品火灾检测技术可用于较大空间范围内的火灾检测,且不易受环境的影响而失效。本产品提出了一种新的烟雾检测方法,主要工作包含以下几个方面：首先,分析目前较常用的几种运动目标检测算法,从中选择背景减除法用于提取运动区域,并对运动区域进一步处理,去除由干扰因素产生的虚假目标,将运动区域中的火灾数据补充完整,为后续工作打下了良好的基础。对于存在烟雾,进一步估计火源位置，烟雾浓度和运动方向火源位置估计方位,可较准确地确定火源位置。[4]

3.2 履带式灭火器防高温车体

本产品因为应用在火灾中，所以本产品需要承受过高的温度，材质必须有一定的耐高温能力，主要是能承受火灾中最大温度以及爆炸时产生时所产生的热量，避免对本产品产生较大的损失，并保护产品的内部结构，产品的大型主要是由防高温甲板组合而成，可以使板甲在高温灼烧时不变形，避免传导热量给内部结构。甲板底部的橡胶履带是防高温全地形履带，使履带可以在高温的火灾地面上行走。

3.3 有效性原则（携带水源，保证第一时间有一定量的水源灭火）

履带式灭火器的内部可以储存一定量的水量，保证在第一时间有一定量的水量对初期发生火灾的进行小型火场的救援,阻止火源的第再次扩大。

图4 水箱体积：0.40 m×1.15 m×0.58 m＝0.27 (平方米)

3.4 灭火器无线远程控制

产品分为两部分:手持操作柄和履带式灭火器车体，操作柄部分包含了电路，液晶显示模块。遥控履带式灭火器的操作流程为通过开启手持操作柄，进行一系列初始化控制之后与履带式灭火器车体进行遥控连接，成功后便可发送无线按键信息。[5]

图5 手持操作柄说明

4 结论

通常森林火灾发生在一些比较偏僻且消防员难以带着消防设备抵达的地方，而履带式灭火器就能很好的适应各种险峻的地形，进行监测和灭火工作，使森林火情能在第一时间得以控制。

城市工业化进程不断加快，虽然一些化学化工厂和纺织厂等易燃易爆场所都在逐步搬离人口密集区域。但是一旦这些地方发生了火灾，消防员受到的危险就比普通火灾呈指数级增加。使用本产品代替消防员进入火场灭火救援，就能很大程度地减少消防员伤亡。且由于产品配有智能体征监测功能，比消防员更容易发现受困者，从而进一步减少人员伤亡。

假如能在日常对易燃易爆场所等加强巡逻监测，就能在第一时间发现险情，第一时间进行救援，使得损失降到最低。考虑到成本问题，雇佣大量安保人员去对其进行24小时全年无休的巡逻监测并不实际，所以本产品就能很好解决这个问题。在产品投入使用之前，会对全地形进行分析，检测设定出几个比较容易发生火灾的地方点，这些点是履带式灭火器每天进行巡检的地方，这样能在数据发生一点点变化时，及时发生警报。由于严谨、重复且精准的工作，履带式灭火器对比人有显著的优势，所以起到了很好的预防效果。

履带式灭火器的概念提出，虽不能在短时间内切实地对消防系统产生即时效果，但希望能带来高速发展下的中国消防系统的一点思考和关注。期望在不远的将来，能看到更多履带式灭火器投入运用到各类消防场景，形成人丁兴旺的履带式灭火器产品家族。