曹志杰

中国恩菲工程技术有限公司 北京 100038

0 引言

因建筑和企业生产的特殊性，存在化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸、坍塌的事故隐患，随着社会经济的迅猛发展，对化学危险品和放射性物质的工业需求也同步增加，事故发生的风险也逐年提高。一旦发生灾害事故，消防员面对高温、黑暗、有毒、浓烟等危害环境时，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不能完成灭火任务，还会造成人员伤亡。消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中发挥着愈加重要的作用。

当前各种大型石油化工企业、隧道、地铁等不断增多，油品燃气、毒气泄漏爆炸、隧道塌方等灾害隐患不断增加。此类灾害具有突发性强、处置过程复杂、危害巨大、防治困难等特点。消防机器人能代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理、反馈，有效地解决消防人员在上述场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题。现场指挥人员可以根据其反馈结果，及时对灾情进行科学判断，并对灾害事故现场工作作出正确、合理的决策。

在大型的工厂、仓库、商场、学校、医院、宾馆等人流和物料较密集的地方都需要配置消防设施。常见的消防设施有灭火器、消防栓、泡沫灭火系统、消防斧、火灾探测器、自动喷淋装置等，其中大部分消防设施属于火灾发生后人工灭火的工具。火灾探测器是用来检测火灾的传感器，通过报警通知进行灭火；自动喷淋装置是通过烟感、温度等传感器检测到火情后，自动喷水进行局部灭火的装置。然而，某些场合不适合用水喷淋灭火，一些大型的商场、工厂、平面仓库、立体仓库等场所堆积的货物较密集，一旦出现火灾，固定位置的喷淋装置和人工消防栓无法到达着火点，需要有一种可以在火情初期微小火苗的情况下，精准对着火点进行灭火的装置和方法，在火灾前期以最小的代价，把火灾控制在最小范围进行灭火。本文设置了一种在空中轨道悬挂行驶、可以自动巡防的灭火机器人装置，通过视频识别和温度远程检测的方式自动寻找着火点，使用控制算法自动调整携带的干粉灭火炮喷射角度和覆盖范围，自动喷射干粉进行灭火，同时启动火警，在火灾初期进行控制和灭火。

自动巡防消防机器人比传统的定点消防、人工操作灭火能更及时的发现火情，从被动救火转变为主动寻找和预防，通过智能机器人装置实现灭火。

1 自动巡防灭火系统组成

1.1 自动灭火机器人装置

如图1 所示，自动灭火机器人装置主要由干粉消防炮、红外温度探测器、摄像头、回转支撑机构、伸缩机构、旋转马达等组成。其中干粉消防炮用于定点喷射干粉灭火，红外温度探测器用来检测视角范围内的高温着火点，摄像头用于对着火点进行图像识别，回转支撑机构用于实现消防炮360°旋转，伸缩机构是由三级液压缸组成（见图2），实现消防炮的升降，旋转马达实现消防炮俯仰角度的调整。

图1 自动巡防灭火装置

图2 三级伸缩机构示意图

该种自动巡防灭火机器人装置是一种携带消防炮、沿着设定的封闭轨道进行自动巡防的智能系统。自动化巡防机器人装置的消防炮的悬挂结构类似于一种云台设施，有4 个自由度的角度和方向调整，设备可以沿着轨道前进、后退，消防炮支架可以自由伸缩、旋转、俯仰，可以根据着火点自动调节角度，在巡防消防机器人行驶范围内，可以覆盖更大的检测范围。

自动巡防灭火机器人装置中的运行轮用于在悬挂轨道上行驶，携带自动灭火装置沿着既定的轨道进行定期巡防，通过摄像头可把现场的巡防画面数据实时回传到集控中心进行展示和存储；同时与现场的火警报警系统联动，一旦发现火情，自动灭火的同时还会触发火警。灭火装置中的消防炮是一种干粉灭火器，通过电子触发自动喷射干粉，瞬间隔绝火焰周围的空气，在缺氧的状态下实现灭火。红外温度传感器用于远程检测一定范围内的温度分布点位，判断是否存在着火点。在消防炮下方吊挂的高清摄像头与消防炮喷射方向一致，是一种瞄准器，当红外传感器检测到着火点后，灭火装置的控制器会自动调整摄像头角度对准着火点进行图像识别，2次确认着火点位置，通过图像识别的AI 算法，准确计算获得着火点坐标和着火范围，进一步模拟出喷射干粉的路径正好覆盖着火点，随即调整消防炮的喷嘴对准着火点，沿着模拟路径进行喷射干粉灭火。

1.2 自动巡防消防机器人轨道

自动巡防消防机器人的轨道可以设置在巡防范围的顶部，通过悬挂的方式进行铺设，也可以在巡防范围的墙壁悬臂吊装方式安装。根据需要和巡防范围，设置不同的轨道类型，可以平面铺设、立体铺设、平立结合铺设或设置分支轨道进行多种形状轨道组合连接。根据危险点位的分布情况，对轨道进行合理布置，尽量覆盖绝大部分危险点区域。在巡防轨道上可以根据消防需要，设置单台、多台巡防灭火机器人，在轨道上进行集群控制和管理，当发现着火点1 台灭火装置不能完成灭火时，系统会自动调配第2 台、第3 台，直至着火点进行多角度喷射干粉后着火点熄灭或得到控制，再辅助人工远程操作巡防消防机器人完成彻底灭火。轨道形式如图3 所示。

图3 自动巡防灭火装置轨道示意图

巡检灭火机器人装置采用轨道供电或自动可充电电池供电，实现24 h 持续沿指定轨道运行；轨道装有条码尺或条码带，可以实时获得任意一台巡检灭火装置的当前位置值；各巡检灭火机器人装置通过工业无线网或5G 网络实现无线通讯，可以实时把巡检到的传感器数据、视频数据传递给中控室，进行大屏展示、信息记录和追溯。

2 干粉消防炮装置

2.1 结构

干粉消防炮装置的主要组成如图4 所示，金属壳体内部充满了灭火粉末，通过2 个电子点火器和冷气源进行触发。在壳体的一端设置定向喷嘴，喷嘴的出孔由膜片覆盖。在壳体尾部装有接地夹具。在壳体的两侧有4组伸出的轴用于固定旋转支架，通过旋转电动机实现自动化灭火装置喷嘴的角度调节。

图4 干粉消防炮装置结构

干粉消防炮装置由电流脉冲触发，电脉冲通过软件程序发出的信号启动装置触发或通过远程遥控开关人工启动。在电脉冲到达电点燃器后，冷气源产生气体使灭火粉末膨胀，装置壳体内部压力增大，从而使膜片被冲开，灭火干粉经过喷射口喷射到着火区域，隔绝火源与空气的接触，以达到灭火的效果。

2.2 巡防消防机器人的控制

由于每台自动巡防消防机器人装备为一次性喷射装置，每使用完一次或在一定时间内没有使用，则需要沿轨道运行到检修区重新填装干粉，确保干粉填装料喷射的可靠性。同时需要对电子点火装置进行检测，确保供电线路的灵敏可靠；对摄像头、温度传感器进行校验，确保定位的准确性；对驱动机构进行维护，确保角度调整的灵活性。

自动巡防消防机器人装置常规情况下，可以自行沿着既定的轨道进行巡防，为中控室实时提供巡防的传感器信息和图像音视频信息。在特殊情况下，如自动控制失灵，还可以根据摄像头实时影像，通过人工远程操控消防机器人装置手动对准着火点进行灭火。

图5 为自动巡防消防机器人系统的控制总图，主控室内通过无线网络与各台巡防消防机器人装置组成自动巡防灭火系统。主控室控制柜与监控大屏、人机交互系统、报警系统、数据库管理系统组成主要的控制设备；各自动巡防消防机器人装置自带控制器，内置图像识别AI 算法，自动识别着火点，一旦某台巡防消防机器人发现了着火点，其他巡防机器人会通过无线网接收主控系统发送的调度命令驱动巡防消防机器人装置按顺序移动到着火点，逐台进行对准、调整角度、触发后喷射干粉灭火，同时把当前巡检到的各项传感器信息传递给中控室，进行信息处理和存储，在监控大屏对巡防区域内的实时状态进行展示。当发现火情时，预警的同时还会触发火灾报警系统。人机交互系统可以远程对各台巡防灭火装置进行遥控操作、设备的启停、维护测试操作、监视到当前巡防机器人的运行状态参数、是否需要更换干粉等。

图5 自动巡防灭火系统的控制总图

2.3 摄像头测距原理

主动测距只采用传感器、摄像机、雷达等传感器进行测距，摄像头价格低廉且性能稳定，应用广泛。单摄像头测距又分单目测距和双目测距，由于双目测距的需要处理的数据量大、成本高、难度大，故采用计算量小、速度快、性价比高、系统结构相对简单的单目测距方法较多。单目视觉测距技术只采用一个摄像机，就能一定程度上获得图像中目标的深度、高度、距离等信息。

自动巡防灭火系统安装的摄像头采用单目测距的方法定位着火点。单目摄像头的模型可以近似考虑为针孔成像模型，如图6 所示。

图6 单目测距原理图

根据三角形关系，可以获得

根据已知的相机焦距、实际物体的宽度，成像获得的物体的宽度，可以计算出相机距离目标物体的距离

式中：d为物体与相机间的实际距离，f为焦距，W为目标物体的实际宽度，w为成像后的宽度。

2.4 单目测距算法程序分析

若想要获得真实世界中某个点位的位置信息，需要把摄像头捕捉到的二维平面图像中的像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系、以及世界坐标系之间进行转换。程序编写和测试步骤为：1）标定得出摄像头的焦距；2）对检测到的物体图片进行高斯滤波处理（平滑操作，过滤操作，去噪操作）；3）边缘检测；4）画出检测出物体的轮廓并返回最小的外接矩形（可以设置画出全部轮廓或者是最大的轮廓）；5）计算摄像头到被测物体的距离；

图片的逐帧连续播放形成视频，检测时检测摄像头只需将摄像头获取到的画面逐帧分析，等同于对照片分析。例如获取摄像头焦距、计算距离的程序，首先通过相机获得焦距，然后计算相机与目标之间的距离，在监控界面显示检测到距离，同时为巡防机器人的姿态调整，提供位置信息。

3 巡防消防机器人装置调度管理流程

通常情况下，巡防灭火装置启动后会排着队间隔一定距离沿着固定轨道一直向前循环行驶，摄像头和红外测温传感器所覆盖的范围按照调整好的检测范围角度固定照射。在巡防的过程中，一旦某台巡防消防机器人的视野内发现着火点，则控制器会调整摄像头和红外传感器对准着火点，让着火点进入到视野范围的正中间，通过AI 算法自动计算出着火点坐标，调整巡防灭火装置的喷嘴以最佳角度对准着火点开始喷射干粉，同时触发控制室火警信号。每一台喷完干粉后，再次检测着火点是否还有火源，通知给中控中心，调度下一台巡防机器人进入到着火点覆盖范围，调整喷嘴进行灭火。同时，当前喷完干粉的巡防机器人返回到维修点自动装干粉。多台巡防消防灭火机器人进行联合作业，在着火点的早期失火范围都不大，一般情况下都会实现自动灭火，若配置的多台灭火装置全部调度完成喷射干粉进行灭火，也能够在火灾的初始阶段控制着火点的蔓延，为下一步人工进行灭火提供了宝贵的时间，还能把当前着火点的最初原因和状态视频、声音信发到中控中心，为火灾原因调查提供最直接的证据，为预防同样的情况再次发生，降低当前原因火灾发生的风险。

在特殊情况下，如高层货架、高层堆叠货物的某些着火点无法人工及时到达，可以把巡防消防机器人的消防炮重新装满干粉后，通过人工快速远程操作灭火机器人装置到达着火点，手动旋转电动机、伸缩机构，精准快速对准着火点，远程启动喷射干粉进行灭火，达到快速灭火的效果。巡防灭火装置的使用流程如图7所示。

图7 巡防灭火装置使用流程

4 消防机器人参数

此种巡防自动灭火装置适用于扑灭A 级火灾（固体）、B 级火灾（液体）、C 级火灾（气态物体）和E级火灾（带电的电器设备），不适用扑灭无需空气助燃的火灾；局部起火、场地内面积和体积的火灾灭火效果最优，干粉消防炮的干粉填装容积为24 L；机器人长度不大于700 mm，宽度不大于400 mm，高度不大于600 mm，总质量不大于86 kg，灭火剂质量为22 kg；从执行脉冲传到模块的启动元件时刻起直到灭火粉末从模块喷射出的启动时间为5 ～10 s，喷射持续时间不超过1 s，工作压力为1.8±0.05 MPa；装置对A 级火的保护面积S为360 m2，对B 级火的保护面积S为 51 m2，对A级火的保护体积V为180 m3；用于露天或室内局部灭火时，装置安装在距离地面1 m 的高度，且喷嘴到保护面积中心的距离为12 ～18 m 时，对于A、B、C、E 级火的保护面积S为15.8 m2；电点燃器的电路包含2 个点燃器元件，5 min 内电路测试的安全电流不大于0.15 A，启动电流不小于1.0 A，电源的电压不大于24 V；装置采用交流36 V 轨道供电模式，功率0.75 kW，干粉装置外壳可充装大于100 次。

5 结语

悬挂轨道式自动巡防的灭火装置是目前固定式消防设施的有益补充，从传动的被动灭火转变为自动寻找着火点，在火灾蔓延前控制火情。随着目前机器人技术的发展，对于文中所述的巡防机器人亦可以配置地面行驶的自动巡防机器人、空中飞行的无人机巡防机器人携带灭火装置进行辅助灭火，实现立体灭火的消防网，减少人工的参与，使用智能装备提高消防设施的智能化程度，实现消防减灾。