全自動履帶式偵測滅火器產品設計

馬煜軒 何芷琪

（1、湖南工業大學包裝設計藝術學院，湖南 株洲 412007 2、湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲 412007）

1 概述

1.1 履帶式滅火器國內外研究發展現狀

我國履帶式滅火器與國外履帶式滅火器行業相比起步較晚，研發和生產落后于日本和美國。在21世紀早期，我國的消防設備應用處于初始階段，火場指揮與控制基本靠消防救援人員臨機應變、人工滅火。隨著我國的綜合國力、經濟水平、科技水平的提升，以及國家對應急管理的重視，近幾年我國消防機器人產業發展迅速，有望實現追趕甚至反超外國[1]。

國際上較早開展履帶式消防機器人研究的是美國和前蘇聯，隨后英國、日本、法國、德國等國家也紛紛開始研究。目前已有很多種不同功能的履帶式滅火器用于救災現場。

1.2 我國消防機器人要面對的困難

1.2.1 消防機器人的研發瓶頸：國內消防機器人起步較晚，且多為傳統機械裝備。消防設備生產企業從事這方面的研發工作，更多地著重在消防機器人上實現現有的消防類功能，對于消防機器人的偵探技術和智能化等方面有著研發乏力的共性。

1.2.2 消防機器人的零件供應困難：消防機器人為機器人的分支之一，不可避免地受到了同樣的制約：國產機器人用關鍵零部件在性能、可靠性、使用壽命等方面存在較大不足，因而長期依賴進口。這對國內機器人市場今后的發展壯大是非常不利的一個因素，甚至可以說是極大的隱患。

1.2.3 消防機器人的技術瓶頸：對目前國內外已研制出的消防機器人進行深入細致的分析比較后發現，現在消防機器人存在的問題:環境識別能力較弱，往往只能對單一指標進行判斷，對環境的發展狀況不能掌握;通用性不夠，研發的消防機器人過于專業，僅針對某一危險狀況工作；當機器人工作，只（轉下頁）能對所處位置作業，缺乏收集三維空間危險信息的能力。

1.2.4 推廣艱難：消防機器人的應用毋庸置疑具有很多優點，但是想要大范圍的推廣消防機器人還是一個長期過程，制約其大規模應用的瓶頸主要有以下幾個：

1.2.4.1 消防機器人造價高昂、維護保養費用高、需要專業人員養護。除了國內一線城市，國內大部分地區還沒有能力配備。

1.2.4.2 受限于當前的人工智能技術發展水平，消防機器人還不夠智能，不能取代人的全面工作。[2]

1.3 產品研究的意義

與其他滅火設備相比，履帶式滅火器最大的功能在于它能更好地適應林區或者工礦廠區各種復雜的環境地形，進行迅速滅火，環境適應性強，優勝于其他滅火類型產品。可森林火災與城市火災不同，由于森林可燃物較多，火勢蔓延迅速，消防員進行近距離滅火存在較大的不確定性和危險性。履帶式滅火器可以進行遠距離遙控滅火，使得在火災發生時，大大減少消防人員在森林滅火時造成的傷亡。

2 產品介紹

2.1 行走機構（固定式履帶行走機構）

針對全自動偵測滅火器應用場景的地形分析，其主要的工作環境集中于林區崎嶇地形以及各種工礦廠區、石油化工廠、大型倉庫等易燃易爆有輻射的場所。這些地方地形復雜，消防人員以及其他消防產品無法很好地在火災場景中應用，然而，履帶式滅火器就能很好地解決這一問題。

圖1 本產品的履帶結構

本產品主要選擇了固定式履帶行走機構，其特點是導向輪不作支撐，驅動能力、承載能力和穩定性表現更佳，能避免在復雜地貌中巡航時能因卷入泥土而造成的磨損和失效，從而提高驅動輪和導向輪的使用壽命。并且在雨、雪、冰等坡度路面提高地面摩擦力，避免出現車輪空轉。而履帶的接地長度足夠通過較寬的溝壑溝。[3]

從技術的角度來看，履帶的作用是借助與其嚙合的主動輪傳遞驅動力矩或制動力矩，依靠與地面的相互作用產生牽引力或制動力。負重輪支撐緊緊壓在下支履帶上，能增大下支履帶與地面的接觸面積，而履帶上的凹凸紋理則能增加其附著性能。

履帶結構的材質選擇主要集中在金屬和橡膠，金屬主要應用在大型設備中，而橡膠的特點是質量較小，耐熱性能較金屬表現高于金屬，所以本產品的履帶結構主要選用橡膠材質。

2.2 噴水機構的選擇（高壓柱式噴水）

噴水機構主要作用是完成噴水方向的確定，完成俯仰、旋轉等動作轉換，達到精準噴射。本機構主要由驅動機構、傳動機構和本體構成。

為了適應各種火場環境需要用到不同噴口、配備的噴口組合器、旋轉咬合器和360度無死角噴口可使滅火效率達到更佳。考慮到本機器人不僅使用自身儲水進行作業，還會有連接消防供水車和消防拴的需要，所以在水炮末端還裝有標準消防快速接口。

圖2 噴水機構+全自動履帶式滅火器爆炸圖

3 全自動履帶式偵測滅火器設計

3.1 監測技術（攝像煙霧火災檢測技術）

偵測火災技術路線：基于不同的火災偵測方法,和與早期火災各種特征的檢測技術進行對比,分析早期的火災實時偵測方法進行痛點分析。與傳統的傳感器火災探測技術相比,煙霧火災檢測技術更能及時偵測火災各種信息，比如火災的位置、火災范圍增長比率等,也能適用于更廣泛的復雜空間，增強偵測火災的能力、噪聲過濾、邊緣檢測和頻率檢測等應用。

技術流程：先通過攝像頭對煙霧數據進行采集，之后建立數據庫，對數據庫的數據內容進行分析，同時在監控場景，通過攝像頭獲取視頻序列。兩者進行比對監測是否為煙霧，確認則進行報警通知。

圖3 監測數據分析流程

將火災各種特征的檢測結果與煙霧的檢測結果進行對比分析,設置模塊庫,輸出警報信息。最后進行仿真實驗，實驗結果表明該方法能有效的識別出火災發生。并具有更快的運算速度和一定的抗干擾能力。

基于傳統的傳感器火災檢測技術只適用于較小的空間,且在環境較惡劣的情況下傳感器容易失效,不利于火災的檢測。本產品火災檢測技術可用于較大空間范圍內的火災檢測,且不易受環境的影響而失效。本產品提出了一種新的煙霧檢測方法,主要工作包含以下幾個方面：首先,分析目前較常用的幾種運動目標檢測算法,從中選擇背景減除法用于提取運動區域,并對運動區域進一步處理,去除由干擾因素產生的虛假目標,將運動區域中的火災數據補充完整,為后續工作打下了良好的基礎。對于存在煙霧,進一步估計火源位置，煙霧濃度和運動方向火源位置估計方位,可較準確地確定火源位置。[4]

3.2 履帶式滅火器防高溫車體

本產品因為應用在火災中，所以本產品需要承受過高的溫度，材質必須有一定的耐高溫能力，主要是能承受火災中最大溫度以及爆炸時產生時所產生的熱量，避免對本產品產生較大的損失，并保護產品的內部結構，產品的大型主要是由防高溫甲板組合而成，可以使板甲在高溫灼燒時不變形，避免傳導熱量給內部結構。甲板底部的橡膠履帶是防高溫全地形履帶，使履帶可以在高溫的火災地面上行走。

3.3 有效性原則（攜帶水源，保證第一時間有一定量的水源滅火）

履帶式滅火器的內部可以儲存一定量的水量，保證在第一時間有一定量的水量對初期發生火災的進行小型火場的救援,阻止火源的第再次擴大。

圖4 水箱體積：0.40 m×1.15 m×0.58 m＝0.27 (平方米)

3.4 滅火器無線遠程控制

產品分為兩部分:手持操作柄和履帶式滅火器車體，操作柄部分包含了電路，液晶顯示模塊。遙控履帶式滅火器的操作流程為通過開啟手持操作柄，進行一系列初始化控制之后與履帶式滅火器車體進行遙控連接，成功后便可發送無線按鍵信息。[5]

圖5 手持操作柄說明

4 結論

通常森林火災發生在一些比較偏僻且消防員難以帶著消防設備抵達的地方，而履帶式滅火器就能很好的適應各種險峻的地形，進行監測和滅火工作，使森林火情能在第一時間得以控制。

城市工業化進程不斷加快，雖然一些化學化工廠和紡織廠等易燃易爆場所都在逐步搬離人口密集區域。但是一旦這些地方發生了火災，消防員受到的危險就比普通火災呈指數級增加。使用本產品代替消防員進入火場滅火救援，就能很大程度地減少消防員傷亡。且由于產品配有智能體征監測功能，比消防員更容易發現受困者，從而進一步減少人員傷亡。

假如能在日常對易燃易爆場所等加強巡邏監測，就能在第一時間發現險情，第一時間進行救援，使得損失降到最低。考慮到成本問題，雇傭大量安保人員去對其進行24小時全年無休的巡邏監測并不實際，所以本產品就能很好解決這個問題。在產品投入使用之前，會對全地形進行分析，檢測設定出幾個比較容易發生火災的地方點，這些點是履帶式滅火器每天進行巡檢的地方，這樣能在數據發生一點點變化時，及時發生警報。由于嚴謹、重復且精準的工作，履帶式滅火器對比人有顯著的優勢，所以起到了很好的預防效果。

履帶式滅火器的概念提出，雖不能在短時間內切實地對消防系統產生即時效果，但希望能帶來高速發展下的中國消防系統的一點思考和關注。期望在不遠的將來，能看到更多履帶式滅火器投入運用到各類消防場景，形成人丁興旺的履帶式滅火器產品家族。