基于機器人的電纜隧道智能消防系統

王斌

（國網智能科技股份有限公司，濟南 250000）

0 引言

電纜隧道是市政供電、工業電力、信息通信等電纜的輸送通道，是火災防控的重要節點。電纜短路、電纜接頭故障、照明通風等附屬設施電氣故障、外部火源進入等因素[1]均可誘發火情。電纜隧道受限于管線密集、空間狹長、光照不足等客觀條件，一旦起火，其火勢將迅速蔓延，有毒煙霧彌漫[2]，導致人工搶險救援面臨諸多風險[3]。因此，針對電纜隧道復雜環境，提早發現火情、快速滅火十分必要。

目前，電纜設備一般依靠人工定期巡檢，但是存在工作強度大、危險性高、巡檢效果依賴工人職業素質等缺點。現有的電纜隧道消防設施主要有電纜表層線性感溫火災探測器、分布式煙霧傳感器、聲光報警等火情探測設備[4-6]，重點部位(如電纜接頭)的固定式滅火器等撲滅設備，防火墻和防火門等[7]防火隔斷設施。上述都是一種固定、離散的監測系統，雖然有很大的覆蓋面，但是不能實現對隧道的完全覆蓋，各部分缺少聯動、整合；當發生緊急情況時，無法在第一時間將現場實時情況提供到監控中心。

本文的電纜隧道消防機器人已經開始逐步推廣，替代人工承擔上述繁重、高危任務。消防機器人可以第一時間進入事故現場，并提供現場實時音頻、視頻等數據以便于應急處置人員會商、研判，還能及時啟動搭載的滅火器進行災情處置。

1 電纜隧道智能消防系統構成

電纜隧道場景的智能消防系統主要由自動防火門、消防機器人及附屬的軌道子系統、通信子系統、充電子系統、系統后臺等，如圖1所示。消防機器人搭載火焰探測器、紅外測溫熱像儀、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器等環境檢測組件，以及超細干粉滅火器等火情撲滅裝備。

1.1 消防機器人本體

電纜隧道消防機器人采用軌道承載、導航方式。軌道應用自行開發的工字異形鋁合金型材，固定在隧道頂端或者壁掛式連續架設。機器人在軌道上運行，不影響下方通道的人員通行，不受隧道內集水坑、地面障礙物等不利因素影響[8]，能適應電纜隧道局部大坡度、急轉彎、小空間等復雜地理環境。

如圖2、圖3所示，消防機器人運動機構采用前后2個輪組，前輪組為驅動輪，后輪組為從動輪，相當于機器人的“前橋”和“后橋”，兩者分別通過銷軸鉸接于底盤上。當機器人運行至轉彎軌道時，導向輪系會受到轉彎軌道的軌跡輪廓擠壓，使得驅動輪和從動輪旋轉一定角度，帶動機器人本體水平轉向。機器人伺服電動機布置在驅動輪組上，速度與轉矩通過齒輪系和傳動軸，傳遞至兩邊的行走輪，驅動機器人行走運動。導向輪和行走輪采用聚氨酯包膠輪，具有較好的減震性。

圖2 消防機器人運動平臺結構圖

圖3 整機實物圖

消防機器人使用攜帶的鋰電池供電，并能自主無線充電。消防機器人監測到電池低電量時，將執行預先設置的充電任務，刷到充電點RFID標簽停車，機器人本體上的無線充電接收盤和軌道上的發射盤對中，自動開啟充電箱中的串口繼電器，進行自動充電，并上報充電狀態信息。

1.2 火情探測預警系統

電纜內部火源[9]的發展一般會經過初期溫度異常升高階段、釋放煙霧但無火苗的陰燃階段和起火燃燒等階段。消防機器人攜帶的紅外熱像儀獲取電纜熱信息并傳輸至后臺。機器人搭載紅外、紫外復合的火焰探測器，能實現對電纜隧道內火焰的識別和響應。搭載的環境檢測傳感器，在巡檢過程中采集實時數據，與系統后臺設置的報警閾值比對，當數據異常時會在后臺出現報警提示。

消防機器人配有拾音器和揚聲器，實現監控后臺與電纜隧道現場的音頻信息交互，便于后臺處置人員實時獲取現場情況，指揮內部人員科學施救或逃生。

1.3 火情應急處置

為應對電纜類火災，消防機器人配備的是超細干粉滅火器，有效覆蓋空間約為25 m3，可以溫控感應自啟動或是電控啟動兩種模式進行火災處置。超細干粉滅火器啟動后，超細干粉以全淹沒方式瞬間籠罩火源，能快速將火災撲滅在萌芽狀態。機器人完成滅火任務后，需維護人員更換新的干粉滅火器，機器人本體可以重復使用。

1.4 消防隔斷自主穿越

按照消防設計要求，電纜隧道需要每隔一定距離設置防火隔斷。機器人的軌道需要沿巡檢路徑連續鋪設，勢必會貫穿防火隔斷，當機器人穿越防火隔斷時需要改造相應的常規防火門或防火隔斷，以供消防機器人通過。如圖4所示，為減少對現有行人通行的常規消防門改動，本文的技術路線是在防火隔斷頂部墻體位置新增專用自動門，兩者一上一下、功能獨立、互不影響，消防機器人可自主穿越自動門，進入下一個區間進行作業；穿越后，自動門恢復常閉狀態。

圖4 機器人自主穿越消防隔斷流程

本文的自動門結構采用兩扇平開門方式，通過安裝在兩側門框內的步進電動機驅動固定于門扇上的齒輪，帶動門扇旋轉，開門、關門都有位置檢測傳感器并上報狀態報文。如圖4所示，在自動防火門前后的軌道上各設置RFID定位標簽，當消防機器人讀卡器讀到門前RFID標簽的定位信息后，機器人降速并執行穿越防火門任務。消防機器人先查詢門的開閉狀態報文，如果門是關閉狀態，系統向防火門控制板發送開啟報文，左、右門扇錯時打開，機器人慢速通過。消防機器人穿過后，讀取到門另一側的RFID標簽位置信息，自動防火門板卡收到關門命令，電動機反向旋轉以實現關門。

1.5 智能消防系統框架

如圖5所示，智能消防系統總體框架分為3層，即隧道內的終端層、基站層和上述兩者互聯的通信層。終端層以消防機器人為核心；基站層包括服務器、后臺軟件、顯示屏等設備；通信層使用光電轉換器、交換機和無線站點等建立網絡通道。隧道內布局多個AP形成無線中繼覆蓋整個電纜隧道，消防機器人本體與后臺之間采用無線通信方式。后臺與遠程客戶端使用光纖有線通信方式。

圖5 消防機器人系統框架

2 消防系統聯動策略

根據電纜隧道巡檢需求，消防機器人執行定時自主運行或人工遠程臨時發令的方式進行巡檢，沿軌道上RFID標簽定位位置，并對關鍵部位如電纜接頭位置執行重點紅外測溫任務，巡檢過程中實時搜集環境數據和設備溫度圖像，如隧道內煙霧濃度、設備溫升異常，并同步傳送到系統后臺與報警閾值比對；后臺對終端層采集的設備溫度數據、可見光圖像進行智能分析和診斷，可判別設備故障。

電纜隧道火情報警條件設置好之后，如果系統傳輸上來的紅外攝像儀溫度和煙感濃度大于設定閾值并且異常數據持續時間超限，這時系統會經過預設的判別策略，啟動火情報警，以應對電纜陰燃階段情況；如果火焰探測器發現火苗后，系統立即報警。后臺操作界面會彈出是否切換成手動控制狀態，運維人員可快速將機器人切換到手動控制狀態，運維人員對機器人的遙控操作具有最大的操作優先級。如果人工無操作，30 s后系統自動選擇機器人自主實施撲滅。

3 消防滅火模擬試驗

為了驗證系統的有效性，主要進行了消防機器人識別火情并自動滅火能力試驗。在試驗場地鋪設試驗用軌道50 m，在軌道下方任意位置放一火源，火源設置遵循GA 602-2006《干粉滅火裝置》要求。啟動消防機器人并點燃火源，機器人沿軌道執行巡檢任務，紅外測溫儀、火焰探測器、環境檢測傳感器采集數據并上傳后臺。

試驗時，紅外測溫儀上傳的測溫圖譜率先出現異常，機器人自動降速前行繼續重點拍攝圖像，后臺研判測溫數據異常持續時間、溫升趨勢；機器人繼續行進，火焰探測器發出報警，消防機器人停車。后臺啟動滅火指令，本次試驗操作人員不干預，30 s后消防機器人通過電控方式，自主啟動超細干粉滅火器，噴射后超細干粉迅速淹沒火源附近空間，火源被及時撲滅，如圖6所示。消防機器人離開火災點，運行到巡檢任務的最后一個任務點，上報維護數據，提示運維人員更換滅火器。

圖6 消防機器人試驗

4 結論

基于消防機器人的智能消防系統，可以實時巡檢電纜隧道的運行情況，能智能判別異常點、及時應急撲滅火苗、自主返回并提示維護更換滅火器。機器人可以將火場音視頻數據同步傳輸至后臺，便于火情處置人員研判災害發展態勢、現場情況，以便科學施救。

下一步將在提高消防機器人對火源識別的位置精準度、實現定向滅火等方面加強研究，以提高滅火的有效性，以及增加自主快速更換滅火器的機構，將消防機器人升級為搭載平臺，實現多次往返火場，提高滅火持續性，應對火勢大面積蔓延階段的有效撲滅。