无人多功能安全救援消防设备研究

张悦鸣 郑珺文 刘雨庆 聂泓承 温谦

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2103-5042-9577

摘  要：随着社会经济的飞速发展，很多地区高层建筑和化工产业大量涌现，同时随之而来的还有大量的安全隐患。消防设备相对人类来说具有更好的抵抗能力，对高温、黑暗、有毒、浓烟有更好的耐受力，同时能够更好、更冷静地实行救援任务，避免不必要的人员伤亡。该文介绍了对新型消防机器人的功能设想，巧妙地结合红外热成像仪和机器人机身达到可以代替消防员或者与消防员合作进入火场实行救援的效果。改变传统消防机器人体积过大不便进入现场的现状，使用图像分析技术来帮助机器人实现独立救援，利用现有技术对消防机器人本身进行保护，实现人工和机器人共同合作。

关键词：消防   机器人红外热成像仪   MATLAB   图像分析

中图分类号：TU998.1                      文獻标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（a）-0057-04

Research on Unmanned Multifunctional Safety Rescue and Fire Fighting Equipment

ZHANG Yueming   ZHENG Junwen  LIU Yuqing  NIE Hongcheng  WEN Qian*

（Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 417100 China）

Abstract： With the rapid development of social economy， a large number of high-rise buildings and chemical industry emerge in many areas， and there are a large number of potential safety hazards. Compared with human beings， fire-fighting equipment has better resistance to high temperature， darkness， toxicity and thick smoke. At the same time， it can better and calmly carry out rescue tasks to avoid unnecessary casualties. This paper introduces the functional assumption of the new fire robot， which skillfully combines the infrared thermal imager and the robot body to achieve the effect of replacing firefighters or cooperating with firefighters to enter the fire site for rescue. It will change the current situation that the traditional fire robot is too large to enter the scene， use image analysis technology to help the robot realize independent rescue， use the existing technology to protect the fire robot itself， and realize the joint cooperation between man and robot.

Key Words： Fire fighting robot; Infrared thermal imager; MATLAB; Image analysis

随着社会经济的飞速发展，很多地区高层建筑和化工产业大量涌现，同时随之而来还有大量的安全隐患。2019年3月30日下午，四川凉山发生大火，目前已确定有31人遇难。火灾不仅威胁着人民的人身和财产安全，同时还威胁着消防人员的生命安全。尤其是石化企业和森林大火，一旦发生，会造成不可预估的后果。而我们唯一能做的就是让悲痛不再发生，在这个时候，智能消防就显得更加重要。消防设备相对人类来说具有更好的抵抗能力，对恶劣环境有更好的耐受力，同时能够更好、更冷静地实行救援任务，避免不必要的人员伤亡。

1  国内外研究现状

1.1 国外研究现状

随着科技的发展，尤其是智能设备的发展，智能化的观念也在慢慢深入人心。在消防领域的智能化也是被各国所重视，一些发达国家将智能消防列入国家科技发展规划，并大力发展智能小车[1]。国际上较早采用智能消防设备的是美国和前苏联，随后英国、日本、法国等国家也开始了智能消防设备的研究。而我国的虽然在硬件和软件的开发上日趋完善，但是仍然存在性能单一、体积过大、成本过高等问题，所以使用不够普遍。而国外智能消防设备普遍体积较大，不适合我国楼房高层起火的救援活动，且灭火方式单一，也就是性能单一。同时，在灭火设备进行灭火时，需要人为帮助，无法做到百分百脱离人工。这从根本上来说，仍然无法避免人员伤亡。真正能够进入地形复杂的火场，代替消防员进行救援，还存在很大的困难。而在地形复杂的山区消防设备又面临着移动困难、移动速度慢的难题。

1.2 国内研究现状

目前，消防安全领域已经引起全世界各国的重视，世界各国也在该领域出台并且完善了诸多法律法规，因为消防安全与人民的生命及国家的财产息息相关，如果不能及时处理就会给国家和人民带来极大的损失，并引发一系列恶劣事件。我国对消防领域的管控十分严苛，并投入了大量资金和人力。从建筑的布局、建筑装修材料的审定、防火应急预案的制定、消防设施的摆放到灭火处理都有相关的规定[2]。我国自20世纪90年代开始着手研究智能消防车，该研究课题已经被多所高校列为重点研究项目，1995年上海消防科学研究所研制了我国首辆真正意义上的智能消防车，标志我国对智能消防车的研制进入了发展阶段，填补了我国在智能消防上的空白。我国研发的第一代消防小车已经进入产业化阶段，具备基本的排查险情、灭火、冷却、稀释等功能。

1.3 研究内容

消防机器人自问世以来历经了三次改进，第一代智能消防设备采用远程控制技术，由于控制技术的不完善和信号延迟，导致在实际应用时效果并不如预期。第二次改进采用数据分析的方法来提高准确度和反应能力，一般是采用各类传感器来进行信息采集工作。现在正在发展的是第三代消防机器人，是融合了机械技术、电子技术、计算机技术、控制理论、人工智能等各类传统和新兴技术的综合机器人[3]。该文对新型智能消防小车进行优化设计，主要内容包括对驱动方式的详细介绍、行走方式的改良创新、数据采集和灭火方式的优化来实现消防小车和消防员的合作灭火。根据小车采集的数据和图像等信息进行具体分析来指定合理、安全、有效的方案来营救被困人员以及解除火警。同时可用于火警检测，变电站粮仓等国家财产发生火灾概率更大，尤其是夏季高温期，此款智能消防小车可以通过红外热成像仪检测温度过高点来起到预防火警的作用。

2  整车设计

2.1 动力来源的选择

面对地形复杂的火场区域，体型过大的消防设备并不具备明显优势，而且体型越大意味着设备本身需要更大的动力供应，扑灭火险意味着消防设备必须行动敏捷，动力充足，如果选择汽油柴油等燃料作为动力供应显然不可取。火场情况千变万化，且温度较高，如果发生爆炸会造成更为严重的灾难。相比之下采用耐高温电池就更加安全。耐高温锂电池最高可承受800 ℃的高温，对于一般火灾内部温度大概在400 ℃左右，自燃性森林火灾温度大概在1 300 ℃～1 400 ℃左右，明显耐高温锂电池在面对森林火灾的时候也极易发生爆炸危险。为了避免这种情况的发生，我们可以选择耐高温的隔热涂料覆盖电机本身，同时涂抹在消防小车表面来保护内部精密零件。

ZS-1耐高温隔热保温涂料就是可选择的涂料之一，耐高温隔热保温涂料是太空节能个人保温涂料的一种，为世界首创，涂料为无机单组分，耐高温隔热保温涂料的使用温度为-80 ℃～1 800 ℃，根据不同的使用情况可以-60 ℃～1 000 ℃，比重是1 100 ㎏/m3;

-80 ℃～1 800 ℃，比重是1 800 kg/m3，还有夹层专用是-60 ℃～1 200 ℃，比重是1 000 kg/m3这3种，隔热系数都是0.03 W/m·k，都能有效抑制辐射热和传导热，隔热抑制率可达到90%以上。这种涂料在完善之后有希望将设备的表面温度降低至100 ℃，以此来确保设备内部零件和电路不被损坏。

2.2 CPU芯片的选择

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进，使得芯片具有传统的51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4kB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35 MHz，6T/12T可选。

2.3 移动方式的选择

我国目前研发的消防小车移动方式基本都偏向于轮式，还有几款利用平行四边形底盘机构来增加稳定性。对于森林火灾来说地形崎岖而且可能存在很多地势落差，一旦发生侧翻就没有办法再次移动。而对于履带式底盘来说，通过加长履带的方式就能够增加行走稳定性，但是显然履带式底盘也明显存在着不能解决侧翻问题的明显缺陷。根据图1所示，从生物学角度来说，狗的体型小巧灵活，适合跳跃，如果我们能以狗的骨骼结构为原型，即使不能百分百还原，我们也能通过履带式底盘和机械狗相结合的方式进行融合，履带式底盘明显适合地势平坦的地区，比如：工厂或者草坪，履带式底盘做工便宜成本低廉，在工厂或者市区等地势平坦的火灾现场，可以快速稳定的移动去扑灭险情。而在地势崎岖的山区或者村庄，消防小车一旦发生侧翻，可以选择远程控制机械狗脱离底盘。虽然以目前的技术来说，制造的机械狗移动速度较为缓慢，但是却能很好地解决侧翻之后消防设备无法移动的问题，降低了经济损失。两种移动方式相结合的方法，意味着此款消防设备适用于大多数火灾现场，能够胜任大部分消防任务，随着机械与自动化以及图像识别等算法的成熟，此款消防设备肯定能够更加完善。

2.4 信息采集與处理

人们身边的物体只有在温度超过1 000 ℃的时候才会发出可见光，对于森林火灾来说最大的隐患莫过于复燃，对于树木内部的高温易燃点，人们光凭肉眼难以看见，而对于家庭或者工厂来说，电路上隐藏的过热点是引发火灾的最大隐患。夏季是粮仓火灾的高发季节，谷物自燃不仅给人民财产带来了巨大损失，甚至会威胁到生命安全。而早在1975年的时候，加拿大林业学校就已经利用红外热成像仪进行森林防火实验，在飞机上检测温度过高点，排除尚未起燃的潜在火源，夏季利用红外热成像仪来检测粮仓，能够准确知道容易起火的位置和范围，做到早知道早预防，及时扑灭，以挽救国家人民生命财产。所以，在此款消防设备上配备红外热成像仪，来采集数据非常合适。MATLAB软件是一个用于数据处理和精确计算的可视化交互软件，由MathWorks公司在1984年开发并运行，具有非常强大的科学仿真和计算功能，因此在各种科学和工程计算领域得到了广泛应用[4]。而关于搜集到的图像分析，完全可以利用MATLAB进行简单地识别和数据处理。数学图像处理最早出现于20世纪50年代，当时的电子计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图像和图像信息。数字图像处理作为一门学科大概形成于20世纪60年代初期[5]。基本的框架完成之后就要求设备的准确性，而对于消防机器人来说，对火灾现场的情况进行准确的分析是最重要的，这就要求设备具有强大的图片处理与分析功能。现有的图像处理技术往往不能达到要求，这就需要相关人员自行开发设计专门的图像处理单元。MATLAB软件提供了图像处理工具箱，它是以数字图像处理理论为基础，用MATLAB语言构造得到的一系列用于图像数据显示与处理的M文件，相关人员可以查看M文件的代码并改进[6]。相关人员甚至可以编辑一个专门的软件来与智能消防设备进行连接。在没有发生火灾的时候，消防人员也可以利用消防设备远程控制来检测温度过高点和隐藏着火点。在1980—1983年间，我国利用红外热成像仪对整个华北电力网的24个发电站、8个变电厂，还有1 000多高压线插头进行了检测，成功发现不正常热点500多处，严重过热点100多处，及时处理之后没有发生火灾。

2.5 滅火方式的选择

大量实验表明，泡沫熄灭火灾的主要原理在于降低温度、火焰阻断、隔绝氧气来源以及可燃物消散。与灭火相关的理论研究方面主要集中于B类火方面，Persson和Dahlberg发展了泡沫在液体表面的覆盖的简化模型，以预测在油池表面的覆灭过程[7]。在大型商场或者市区内发生的火灾，大多数情况下能够获取足够的水源用来灭火和降温。但是如果火灾发生在化工厂发电厂或者是森林火灾，就难以配备足够的水源，尤其森林起火随风势蔓延极快，对自燃环节破坏极大，而且扑救难度大，耗费的人力、物力极大，甚至会对某些军事基地、物质仓库、油库造成威胁，所以对森林除了要有足够的监控管理之外，还必须有足够的防火灭火装备和器材。远离市区更是为运输装备和器材带来了巨大困扰。可用成威消防MCW水剂投掷式手榴弹自动灭火器（灭火弹）S1/ST1人工布置防火隔离带，也可通过用飞机空投布置防火隔离带，其高效的灭火能力和优异的抗复燃效果，能有效地把大火隔离在燃烧区里，阻断火灾继续蔓延;扑救森林火灾除了布置防火隔离带之外，还要有足够的森林消防员进入火场灭火才能完全把大火扑灭并且防止其复燃。森林消防员虽然随身带有森林灭火机和其它扑火工具进入火场，但森林无法为扑救火灾提供足够的水源，如果消防员能随身携带成威消防MCW水剂投掷式手榴弹自动灭火器（灭火弹）S1/ST1，当遇到较大的火头或有人员被困时，可用成威消防MCW水剂投掷式手榴弹自动灭火器（灭火弹）S1/ST1进行扑救和开辟逃生通道，确保灭火和人身安全两不误。此款投掷式灭火手榴弹自动灭火器为我国私人企业自主研发、灭火迅速、无污染，事后清理简便，而且具有有效避免复燃和防止火势增大等明显优点。该企业位于广东佛山，专业致力于消防工作的民用企业。在大火复燃的情况下可以使用智能消防设备，通过弹道喷射的方式来进行暂时的降温和灭火，来阻挡复燃的火焰，为消防人员增加救援时间或者保护火场被困人员的安全。

3  结语

该文对智能消防小车进行了合理规划，能够实现救援和预警一体化的基本功能，减少消防员进入火场的危险，为人民生命安全和物质财产提供基本保障，采用的红外热成像仪和MATLAB图像分析能够基本实现火场情况甄别，还可以用于森林火灾、工厂爆炸、粮仓起火、变电厂失火等恶性事件的发生。

参考文献

[1] 魏宏明.遥控作消防机器人系统关键技术研究[D].南京：东南大学，2018.

[2] 王朝威.火灾事故调查工作中存在的问题及对策分析[J].中国新技术新产品，2019（20）：143-144.

[3] 贾亚洲.基于虚拟样机的特种机器人关键机构仿真研究[D].洛阳：河南科技大学，2019.

[4] 钟志良.基于DICOM标准的医学图像解析与处理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2018.

[5] 胡蝶.医学超声图像的噪声分析及去噪方法研究[D].成都：电子科技大学，2018.

[6] 殷琪林，王金伟.深度学习在图像处理领域中的应用综述[J].高教学刊，2018（9）：72-84.

[7] PERSSON B，DANLBERG M.A Simple Model For Predicting Foam Spread Over Liquids[J].Fire Safety Science，1994（4）：265-276.