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浅析我国消防机器人发展现状与趋势 | 山东大学宋锐教授

  • 2021-10-15 15:13:33

  • 阅读量:468

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近年来,石油、化工、森林、高层建筑等消防事故频发,严重威胁着人民群众的生命财产安全。灾情破坏性大、损失惨重,令人触目惊心,在过去发生的江苏响水爆炸事件、张家口爆炸事件、凉山火灾等事故中不仅造成了财产的损失,更导致消防人员的伤亡。

消防事故灾情复杂,巡检侦测、灭火救援难度极大,其原因在于以下四个场景中:人工日常巡检时主观性强,易漏检;火灾现场易发生有毒腐蚀,危险性高;应急关阀堵漏时处置对象多样,处置作业复杂;爆炸现场极易发生多次爆炸,消防员死伤惨重,所以常规消防灭火手段面临严峻挑战,机器人化替代势在必行!

我们特邀山东大学宋锐教授做客「机器人大讲堂直播间」,为大家分享消防机器人的发展现状与趋势

消防机器人背景需求和发展历程

  • 消防机器人功能定位和产品分类

  • 消防机器人系统结构和关键技术

  • 消防机器人的发展趋势和现状

以下内容根据宋锐教授直播分享实录整理

一、消防机器人的背景需求和发展历程

背景需求

消防机器人是特种机器人的一种,在消防灭火、抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。尤其随着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、地铁坍塌等灾害隐患不断增加。

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,进行探测、反馈、处置作业,为及时有效的救援处置大大提高了效率,降低了人员伤亡风险。

自2014年以来,中国消防机器人市场规模持续增长,到2018年增长至11.0亿元,同比增长54.93%;初步预计到2020年,我国消防机器人行业市场规模将达到18.2亿元,到2023年将增长至36.9亿元。

发展历程

1、国外发展情况

通过2020年中国消防机器人行业研究报告指出,当前消防机器人主要是分为三个阶段,第一阶段为程序控制型,主要依靠的是远程操作控制系统;第二阶段为功能型,主要通过传感器来开发其性能;第三阶段为智能型,开始向智能化迈进。

相对于国内而言,国外开展消防机器人的研究比国内要早,其中贡献比较突出的国家有美国、日本、德国等。据推测,目前这些发达国家对于消防机器人的研发处于第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人阶段,并着手研究第三代高级智能机器人。

其中日本从上世纪80年代开始研制消防机器人,例如1986年的“彩虹5号”消防机器人、2005年的仿人型消防机器人等。此外,日本组建了机器人消防部队,包括空中监视部门、地面勘察部门、延伸软管部门和水炮部门。主要是为了代替消防员工作,节省人力、物力,在各种危险场景作业,特别是在高温等危险场景,它能够促进和推动人工智能的发展。

美国消防机器人以救援、灭火等智能多功能人形消防机器人为主, 多应用于军事领域。欧洲消防机器人的发展呈现的是多样化的趋势,例如挪威的蟒蛇消防机器人、德国路虎60雪炮机器人等。

2、国内发展现状

我国消防机器人行业发展历程分为两个阶段,包括早期探索阶段和初步发展阶段,具有起步晚、进步快的特点。

1995年我国研制出第一台消防灭火机器人2002年6月,由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家863项目“履带式、轮式消防灭火机器人”研制成功并顺利通过国家验收。

随后,消防机器人企业也纷纷成立。目前国内主要有中信重工开诚智能、山东国泰、苏州海哲轮、上海强师、上海格拉曼等企业。

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二、消防机器人的功能定位与产品分类

消防机器人的主要功能

消防机器人作为代替消防员进入危险复杂环境的特殊装备,主要具有灭火、排烟、侦测、巡检、危险处置、应急救援、预警和通信的功能。



消防机器人的分类

消防机器人的分类方式根据它的主要功能、行走方式、控制方式来划分为不同种类:

1、按照主要功能可以划分为灭火机器人、排烟机器人、侦查机器人、处置机器人、救援机器人

2、按照行走方式可以划分为轮式机器人、履带式机器人、吸盘式机器人、复合行走机器人,根据其不同的特点优势应用于不同的场景中。

3、按照控制方式可以划分为主从控制机器人、半自主控制机器人、自主控制机器人,目前还是以主从控制机器人为主。

三、消防机器人的系统结构与关键技术

系统结构主从式消防机器人目前是以操作员为核心,操作员通过观察监视器,操作控制台进而控制消防机器人的运作。
关键技术相应的关键技术总结为四大类,分别是环境适应性、感知与导航、处置作业、多机协同。
1、环境适应性技术

  • 底盘机构设计与优化

环境适应性技术首要就是底盘技术,一个好的底盘要求底层机构应具有承载力高、稳定性好、机动性强、越障能力强、具备避障能力。

  • 越障技术

轮式越障能力有限,在攀爬中会遇到多种问题,目前主要是研究履带式越障。

  • 防护性技术

防护性大致上是指防水防尘,一般要求达到IP67的等级。

  • 防爆技术

消防机器人需要工作在石化场所或燃气泄漏场所等高危环境,所以需要保证其具备防爆能力。

2、感知技术

  • 视觉感知与测量

目前来说,视觉感知采用多相机、多光谱的方式,同时也会采用一些算法通过强大的控制系统或处理器来进行测量,便于在“消”和“防”的过程中达到更精确的感知。

  • 火情探测

感知技术作为火情探测的核心技术,是大空间环境下初期火灾快速识别的技术,它的技术构成大致可分为四个步骤:目标捕获、噪声消除、特征提取、目标识别和结果输出。

3、导航技术

  • 定位技术

定位技术有多种,包括里程计、北斗、GPS等等,下图展示了网格定位技术,主要是使用在空间体量不大、多机器人的情况下。

  • SLAM技术

目前主要用于研究之中,实际产品应用较少。分为两个方向:基于多源感知的危险作业现场信息融合,同步定位与地图构建;面向动态复杂环境的机器人自主导航与定位。

4、处置技术

  • 作业载荷

包含安全巡检与灾情侦测作业载荷,模块化现场灵巧处置作业载荷,基于液氮复合介质灭火作业载荷等。

  • 工具快换

机器人往往需要执行复杂多样的处置任务,仅使用单一的末端工具不能满足复杂任务要求,并且手动更换末端工具需要机器人反复进出工作环境,极大地限制了机器人的作业效率。 根据关阀、堵漏等典型作业的处置工艺,研制关阀、堵漏等多种处置作业工具,设计具有一定容差能力与高可靠性的快换与锁紧机构,实现末端处置工具的自动快速切换,是提升处置机器人作业能力的关键技术。

  • 液氮灭火

液氮灭火可以实现快速降温,快速隔离空气的目的,减少了用水量的使用。

  • 排烟喷雾

消防排烟机器人组成部分包括排烟风机、喷雾系统、控制系统、液压系统、行走底盘等。

  • 人机交互

人机交互技术已经成为消防机器人技术组成中的重要部分,其中基于行为的功能和组合的功能在之后会发挥越来越重要的作用。

5、多机协同技术

  • 智能任务分配

描述多消防机器人协同处理任务的场景,分析任务处理对资源的要求和消防机器人执行任务的收益。分析并提出任务分配机制,给出消防机器人任务分配问题的数学模型。

  • 智能协同作业

据了解,到目前为止,消防机器人的多机协同作业的能力可以达到,但智能协同作业的机器人几乎没有。

四、消防机器人的发展趋势和现状

根据目前消防的技术条件与产业需求的情况,型号谱系化、功能专用化、装备智能化、作业自主化、任务协同化将是今后机器人发展的大趋势。这五大趋势将是相辅相成、相互包含的关系。

  • 型号谱系化

消防灭火机器人按照流量大小区分有小型、中型、大型;灭火侦查机器人还分为中倍数泡沫和高倍数泡沫的。

  • 功能专用化

根据实际的应用需求与应用场景的不同,机器人向功能专用化发展,功能越来越专一,越来越强大。同时,也会根据不同领域的需求,开发不同结构与功能的机器人,例如:用于海工作业的水下机器人、煤矿领域的矿用轨道巡检机器人等。

装备智能化

具有感知、分析、推理、决策、控制功能的机器人逐渐应用到消防行业,形成先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合。

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  • 作业自主化

消防机器人在动态、非结构环境下实现自主作业任务,自主导航,自主决策,自主处置,自主控制等。

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  • 任务协同化

多机器人任务协同化,其涉及到复杂任务规划和组织属于顶层设计,涉及到运筹学、博弈论、人工智能、计算机科学、机器人学等多学科。

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