機器人在化學災害事故救援中的應用

景 臣，祝敬妥

(應急管理部消防救援局南京訓練總隊，江蘇 南京 211133)

隨著科學技術的不斷發展，越來越多的化學物質走進人類的生活范圍，其中相當數量的化學物質已經明確列入危險化學品范圍內，例如工業電鍍冶金用的氰化鈉等氰化物、溫度計中的重金屬汞、醫藥上用作消毒劑的高錳酸鉀等。這些危險化學品在生產、儲存、運輸、經營、使用等過程中，由于操作不當、儲存不利等常導致其泄漏而引發嚴重的化學災害事故。此類化學災害事故不但具有突發性，一般還伴有燃燒爆炸、腐蝕毒害甚至放射等危害，嚴重污染周邊環境，對救援人員也容易造成一定的傷害，成為目前搶險救援工作中的一個難點。相關化學事故救援專家一直把在保證成功處置化學災害事故的前提下，采取何種措施才能充分降低甚至避免救援人員傷亡作為一項課題在不斷深入研究。一般來講，降低救援人員的傷亡率可以從提高救援人員的自身素質和減少救援人員數量兩方面實現：提高救援人員自身素質可以通過提高救援人員的防護裝備等級、加強救援人員業務技能的熟練度、減少現場作業時間等途徑來實現；減少救援人員即降低進入化學災害事故現場的救援人員人次、數量，這可以通過依靠現有固定消防設施或架設消防炮減少火場前沿滅火消防員、操作無人機航拍事故現場全貌、投入機器人進行救援等方式來實現。其中，依靠先進科學技術而生的機器人，不但能最大程度的代替救援人員進入化學災害事故現場，還能獲得與救援人員進入現場相當的救援效果。這使機器人成為目前各化學災害事故救援專家及各特種裝備設計生產廠商的研究熱點。本文結合當今機器人的應用現狀簡要闡述機器人在化學災害事故救援中的廣闊應用。

1 機器人應用現狀

近年來，機器人在我國投入使用量迅速增多，本土機器人生產企業也呈快速增長趨勢[1]。一般來說，機器人主要由機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統四部分構成。其中，機械系統主要包括機身、末端操作器和行走機構等，通過自身具有的若干個自由轉動關節，達到行走、抓拿取物等功能；驅動系統，則相當于人的肌肉，使機器人執行接受指令信號同時能夠準確控制執行力度，防止因用力過猛造成被抓物體損壞等；控制系統相當于人的大腦，通過輸入相關程序，操控機器人完成相應的作業任務；感知系統相當于人的五官，可以獲知機器人周邊環境的某些特定狀態，如距離、接觸情況等[2]。

目前機器人在許多行業都有所應用。2015年機器人因具有行走功能，首次應用于快遞行業解決最后一公里問題[3]。隨著科技的發展，機器人具備了仿真手腳結構，利用視覺識別技術在快遞行業的包裹分揀、碼垛等環節都有了更廣闊的用武之地[4-5]。除此之外，先進技術賦予機器人行走功能、配備機械手足、安裝視覺系統等，這使機器人廣泛應用于焊接、裝配、噴涂、搬運、拋光打磨等工業生產[6]，甚至在果蔬采摘等農業領域也大展身手[7]。已經在多個行業領域成功投入使用的機器人，相信其在化學災害救援事故現場同樣能大顯身手。

2 機器人替代救援人員進行化學災害事故救援偵查檢測工作

成功處置化學災害救援事故，關鍵在于盡快查明現場泄漏及存在的危險化學品的種類、儲量、泄漏部位、泄漏量和周邊擴散情況等信息，這為現場指揮部制定正確阻止危險化學品進一步泄漏以及疏散周邊受威脅的群眾等諸多科學決策提供理論依據。傳統的偵查檢測方法主要有詢問現場知情人、外部觀察、內部偵查和儀器檢測。詢問知情人和外部觀察主要是通過詢問現場人員對事故發生過程進行了解、觀察現場人員接觸危險化學品后的一些癥狀、現場動植物接觸泄漏的危險化學品的反應以及泄漏危險化學品的顏色氣味狀態等信息，初步判斷泄漏危險化學品的種類和危險性，這些對救援人員的威脅相對較小。內部偵查和儀器檢測則是組織救援人員成立偵查檢測小組，攜帶偵查檢測裝備器材深入事故現場，探查災害事故現場存在危險化學品的種類、泄漏位置、泄漏量及空氣中的易爆、毒害等物質的濃度。偵查檢測小組成員的防護裝備是否能承受未知危險化學品的腐蝕滲透、泄漏現場是否具有燃燒爆炸性等諸多危險因素除了給偵查檢測人員帶來一定的心理壓力外，還容易造成一定程度上的身體傷害；從偵查檢測小組準備進入災害事故現場到檢測完畢，耗時較長、檢測數據不能實時更新，存在一定的誤差，這都會影響指揮部的科學決策。

利用先進的科學技術，機器人在設計上能夠實現具有一定的抗腐防爆功能，從而具備進入化學災害事故現場的基本條件。常見的救援人員使用的偵查檢測裝備器材，其核心部件是通過電化學傳感器、紅外檢測、氣相色譜、質譜等手段將被測危險化學品的定性定量信息轉化為電信號，并且采用的檢測手段不同，所能檢測的危險化學品種類有所不同。這些核心部件同樣可以加工改裝成相應的危險化學品檢測模塊，被具有行走功能的機器人帶入危險的化學災害事故現場，通過轉換各個檢測模塊，對化學災害事故現場的可疑物質進行定性定量檢測、時時檢測、巡查檢測，結合機器人的位置定位信息則可以形成化學災害事故現場的實時檢測數據。利用無線視頻和實時數據的無限傳輸技術，機器人操控者能夠在化學災害事故現場周邊的安全地帶實時接收機器人的實時檢測結果，甚至可以操控機器人近距離查看危險化學品的泄漏現狀，及時繪制化學災害事故現場中心區的詳細情況說明，為指揮部下一步制定的救援決策提供更為準確的科學依據。目前攜帶硫化氫氣體報警器、可視視頻攝像頭的相關機器人已應用于中國石化站場，按照規定的路線能夠對閥門、管道等進行巡檢[8-9]。

3 機器人替代救援人員疏散救助被困人員

化學災害事故具有突發性。危險化學品的突然爆炸、燃燒、泄漏容易導致現場及周邊出現建筑坍塌、空氣染毒等危險；現場人員若不能及時躲避則會因被埋壓、中毒而受傷甚至休克昏迷，被困在事故現場，無法依靠個人力量逃脫。傳統搜救被困人員的方法是儀器探測和搜救犬對被困人員位置進行粗略定位，搜救人員深入現場內部通過身體觸摸等摸索排查進行精準定位。無論是何種方式，最終都是救援人員需要攜帶破拆、頂撐等功能的工具靠近被困人員的狹小空間，運用工具盡力為被困人員營造相對安全的空間，再通過拖拽被困人員或清除坍塌雜物來解救被困人員。救援過程中隨時伴有二次坍塌、燃爆、毒害等危險，救援人員時刻受到自身的傷亡威脅。

在被困人員的救援疏散過程中，機器人的投入使用則能夠很好地降低救援人員的人身傷亡風險。這需要機器人具有行走功能，配備能夠適用黑暗環境的視覺系統。具有此功能的機器人能夠在操控者的指揮下深入事故現場搜尋和準確定位被困人員，并將被困人員的現狀以動態影像形式傳輸至機器人操控終端。根據被困人員的受困信息，指揮部可以有針對性的選擇相應裝備器材和最佳救援人員進入狹小空間現場進行救助，從而避免攜帶不必要的裝備耗費體力、因選擇不合適的救援人員而需要更換等現象的發生，節約救援時間，降低現場環境對救援人員的威脅；若機器人同時配備了機械手等輔助工具，條件具備的情況下指揮部也可以選擇遠程操控機器人對受傷、昏迷的被困人員進行搬運的方式，將被困人員疏散至安全地帶。

4 機器人攜帶相應裝備輔助滅火救援

伴有火災發生的化學災害事故現場，容易產生毒害煙氣，并伴有爆炸的危險性。傳統的滅火方法是救援人員鋪設水帶至前沿陣地，并停留在前沿水槍陣地實時調整射流位置、方式等進行滅火。從后方的水源地到火場前沿的水帶鋪設，不間斷供水、供泡沫液，需要多名救援人員的數次奔波于危險區域；即使架設水炮替代水槍，仍需救援人員定期前去對水炮射流方位進行調整。總體來說危險化學品火場的突然爆炸、爆燃或毒害氣體對救援人員的人身安全都存在巨大的危險隱患。

具有行走功能的機器人投入滅火救援事故現場，能夠運送水帶、泡沫液等物資往返于火場前沿，大大降低救援人員前往危險化學品火災前沿的人數次數；攜帶消防炮的行走機器人則能夠拖動水帶直接前進到火場前沿；配有機械手臂的機器人甚至可以按照相關指令對自身攜帶的水炮射流等進行調整，這充分降低了化學災害事故現場的火災對救援人員的威脅。目前投入使用的消防機器人“路虎60”雪炮車、JMX-LT50機器人已經具備消防炮功能，可以噴射直流水、霧狀水甚至泡沫[10]，據實戰資料顯示，消防滅火機器人可以根據需要到達指定位置，并能調整噴射角度[11]。

隨著科技的不斷發展進步，更多的危險化學品被賦予新的使命，隨之而來的是更復雜、更危險的化學災害事故的發生。人機交互的機器人既可以接受操作者指揮，也可以運行預先編排的程序代碼，已經能夠協助甚至取代人類進入多個行業中工作，危險的化學災害事故現場救援急需機器人的加入。目前市場上，跟消防救援有關的主要是滅火機器人和偵查檢測機器人，其中攜帶消防炮的消防機器人已在滅火實戰中發揮了巨大的作用；偵查檢測方面的機器人雖有開發，但是多局限于對可燃氣體和部分有毒氣體等的檢測，檢測范圍較小，難以實現替代救援人員進行全方位的偵查檢測任務。機器人的攜帶能力大小、行走方式(輪式、履帶式等)和遙控距離等都對機器人的投入使用有很大的影響。如何利用先進科學技術改進機器人使之更加具備化學災害事故救援技能，將成為機器人在化學災害事故救援中應用的一個重要研究方向。