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            淺析我國消防機器人發展現狀與趨勢 | 山東大學宋銳教授

            • 2021-10-15 15:13:33

            • 閱讀量:1019

            • 關鍵詞:

            近年來,石油、化工、森林、高層建筑等消防事故頻發,嚴重威脅著人民群眾的生命財產安全。災情破壞性大、損失慘重,令人觸目驚心,在過去發生的江蘇響水爆炸事件、張家口爆炸事件、涼山火災等事故中不僅造成了財產的損失,更導致消防人員的傷亡。

            消防事故災情復雜,巡檢偵測、滅火救援難度極大,其原因在于以下四個場景中:人工日常巡檢時主觀性強,易漏檢;火災現場易發生有毒腐蝕,危險性高;應急關閥堵漏時處置對象多樣,處置作業復雜;爆炸現場極易發生多次爆炸,消防員死傷慘重,所以常規消防滅火手段面臨嚴峻挑戰,機器人化替代勢在必行!

            我們特邀山東大學宋銳教授做客「機器人大講堂直播間」,為大家分享消防機器人的發展現狀與趨勢。

            消防機器人背景需求和發展歷程

            • 消防機器人功能定位和產品分類

            • 消防機器人系統結構和關鍵技術

            • 消防機器人的發展趨勢和現狀

            以下內容根據宋銳教授直播分享實錄整理

            一、消防機器人的背景需求和發展歷程

            背景需求

            消防機器人是特種機器人的一種,在消防滅火、搶險救援中愈加發揮舉足輕重的作用。尤其隨著各種大型石油化工企業、隧道、地鐵等不斷增多,油品燃氣、毒氣泄漏爆炸、隧道、地鐵坍塌等災害隱患不斷增加。

            消防機器人能代替消防救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災害事故現場,進行探測、反饋、處置作業,為及時有效的救援處置大大提高了效率,降低了人員傷亡風險。

            自2014年以來,中國消防機器人市場規模持續增長,到2018年增長至11.0億元,同比增長54.93%;初步預計到2020年,我國消防機器人行業市場規模將達到18.2億元,到2023年將增長至36.9億元。

            發展歷程

            1、國外發展情況

            通過2020年中國消防機器人行業研究報告指出,當前消防機器人主要是分為三個階段,第一階段為程序控制型,主要依靠的是遠程操作控制系統;第二階段為功能型,主要通過傳感器來開發其性能;第三階段為智能型,開始向智能化邁進。

            相對于國內而言,國外開展消防機器人的研究比國內要早,其中貢獻比較突出的國家有美國、日本、德國等。據推測,目前這些發達國家對于消防機器人的研發處于第二代消防機器人和第三代低級智能化消防機器人階段,并著手研究第三代高級智能機器人。

            其中日本從上世紀80年代開始研制消防機器人,例如1986年的“彩虹5號”消防機器人、2005年的仿人型消防機器人等。此外,日本組建了機器人消防部隊,包括空中監視部門、地面勘察部門、延伸軟管部門和水炮部門。主要是為了代替消防員工作,節省人力、物力,在各種危險場景作業,特別是在高溫等危險場景,它能夠促進和推動人工智能的發展。

            美國消防機器人以救援、滅火等智能多功能人形消防機器人為主, 多應用于軍事領域。歐洲消防機器人的發展呈現的是多樣化的趨勢,例如挪威的蟒蛇消防機器人、德國路虎60雪炮機器人等。

            2、國內發展現狀

            我國消防機器人行業發展歷程分為兩個階段,包括早期探索階段和初步發展階段,具有起步晚、進步快的特點。

            1995年我國研制出第一臺消防滅火機器人。2002年6月,由公安部上海消防研究所、上海交通大學、上海消防局三家單位共同承擔的國家863項目“履帶式、輪式消防滅火機器人”研制成功并順利通過國家驗收。

            隨后,消防機器人企業也紛紛成立。目前國內主要有中信重工開誠智能、山東國泰、蘇州海哲輪、上海強師、上海格拉曼等企業。

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            二、消防機器人的功能定位與產品分類

            消防機器人的主要功能

            消防機器人作為代替消防員進入危險復雜環境的特殊裝備,主要具有滅火、排煙、偵測、巡檢、危險處置、應急救援、預警和通信的功能。



            消防機器人的分類

            消防機器人的分類方式根據它的主要功能、行走方式、控制方式來劃分為不同種類:

            1、按照主要功能可以劃分為滅火機器人、排煙機器人、偵查機器人、處置機器人、救援機器人。

            2、按照行走方式可以劃分為輪式機器人、履帶式機器人、吸盤式機器人、復合行走機器人,根據其不同的特點優勢應用于不同的場景中。

            3、按照控制方式可以劃分為主從控制機器人、半自主控制機器人、自主控制機器人,目前還是以主從控制機器人為主。

            三、消防機器人的系統結構與關鍵技術

            系統結構主從式消防機器人目前是以操作員為核心,操作員通過觀察監視器,操作控制臺進而控制消防機器人的運作。
            關鍵技術相應的關鍵技術總結為四大類,分別是環境適應性、感知與導航、處置作業、多機協同。
            1、環境適應性技術

            • 底盤機構設計與優化

            環境適應性技術首要就是底盤技術,一個好的底盤要求底層機構應具有承載力高、穩定性好、機動性強、越障能力強、具備避障能力。

            • 越障技術

            輪式越障能力有限,在攀爬中會遇到多種問題,目前主要是研究履帶式越障。

            • 防護性技術

            防護性大致上是指防水防塵,一般要求達到IP67的等級。

            • 防爆技術

            消防機器人需要工作在石化場所或燃氣泄漏場所等高危環境,所以需要保證其具備防爆能力。

            2、感知技術

            • 視覺感知與測量

            目前來說,視覺感知采用多相機、多光譜的方式,同時也會采用一些算法通過強大的控制系統或處理器來進行測量,便于在“消”和“防”的過程中達到更精確的感知。

            • 火情探測

            感知技術作為火情探測的核心技術,是大空間環境下初期火災快速識別的技術,它的技術構成大致可分為四個步驟:目標捕獲、噪聲消除、特征提取、目標識別和結果輸出。

            3、導航技術

            • 定位技術

            定位技術有多種,包括里程計、北斗、GPS等等,下圖展示了網格定位技術,主要是使用在空間體量不大、多機器人的情況下。

            • SLAM技術

            目前主要用于研究之中,實際產品應用較少。分為兩個方向:基于多源感知的危險作業現場信息融合,同步定位與地圖構建;面向動態復雜環境的機器人自主導航與定位。

            4、處置技術

            • 作業載荷

            包含安全巡檢與災情偵測作業載荷,模塊化現場靈巧處置作業載荷,基于液氮復合介質滅火作業載荷等。

            • 工具快換

            機器人往往需要執行復雜多樣的處置任務,僅使用單一的末端工具不能滿足復雜任務要求,并且手動更換末端工具需要機器人反復進出工作環境,極大地限制了機器人的作業效率。 根據關閥、堵漏等典型作業的處置工藝,研制關閥、堵漏等多種處置作業工具,設計具有一定容差能力與高可靠性的快換與鎖緊機構,實現末端處置工具的自動快速切換,是提升處置機器人作業能力的關鍵技術。

            • 液氮滅火

            液氮滅火可以實現快速降溫,快速隔離空氣的目的,減少了用水量的使用。

            • 排煙噴霧

            消防排煙機器人組成部分包括排煙風機、噴霧系統、控制系統、液壓系統、行走底盤等。

            • 人機交互

            人機交互技術已經成為消防機器人技術組成中的重要部分,其中基于行為的功能和組合的功能在之后會發揮越來越重要的作用。

            5、多機協同技術

            • 智能任務分配

            描述多消防機器人協同處理任務的場景,分析任務處理對資源的要求和消防機器人執行任務的收益。分析并提出任務分配機制,給出消防機器人任務分配問題的數學模型。

            • 智能協同作業

            據了解,到目前為止,消防機器人的多機協同作業的能力可以達到,但智能協同作業的機器人幾乎沒有。

            四、消防機器人的發展趨勢和現狀

            根據目前消防的技術條件與產業需求的情況,型號譜系化、功能專用化、裝備智能化、作業自主化、任務協同化將是今后機器人發展的大趨勢。這五大趨勢將是相輔相成、相互包含的關系。

            • 型號譜系化

            消防滅火機器人按照流量大小區分有小型、中型、大型;滅火偵查機器人還分為中倍數泡沫和高倍數泡沫的。

            • 功能專用化

            根據實際的應用需求與應用場景的不同,機器人向功能專用化發展,功能越來越專一,越來越強大。同時,也會根據不同領域的需求,開發不同結構與功能的機器人,例如:用于海工作業的水下機器人、煤礦領域的礦用軌道巡檢機器人等。

            裝備智能化

            具有感知、分析、推理、決策、控制功能的機器人逐漸應用到消防行業,形成先進制造技術、信息技術和智能技術的集成和深度融合。

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            • 作業自主化

            消防機器人在動態、非結構環境下實現自主作業任務,自主導航,自主決策,自主處置,自主控制等。

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            • 任務協同化

            多機器人任務協同化,其涉及到復雜任務規劃和組織屬于頂層設計,涉及到運籌學、博弈論、人工智能、計算機科學、機器人學等多學科。

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