机器人在化学灾害事故救援中的应用

景 臣，祝敬妥

(应急管理部消防救援局南京训练总队，江苏 南京 211133)

随着科学技术的不断发展，越来越多的化学物质走进人类的生活范围，其中相当数量的化学物质已经明确列入危险化学品范围内，例如工业电镀冶金用的氰化钠等氰化物、温度计中的重金属汞、医药上用作消毒剂的高锰酸钾等。这些危险化学品在生产、储存、运输、经营、使用等过程中，由于操作不当、储存不利等常导致其泄漏而引发严重的化学灾害事故。此类化学灾害事故不但具有突发性，一般还伴有燃烧爆炸、腐蚀毒害甚至放射等危害，严重污染周边环境，对救援人员也容易造成一定的伤害，成为目前抢险救援工作中的一个难点。相关化学事故救援专家一直把在保证成功处置化学灾害事故的前提下，采取何种措施才能充分降低甚至避免救援人员伤亡作为一项课题在不断深入研究。一般来讲，降低救援人员的伤亡率可以从提高救援人员的自身素质和减少救援人员数量两方面实现：提高救援人员自身素质可以通过提高救援人员的防护装备等级、加强救援人员业务技能的熟练度、减少现场作业时间等途径来实现；减少救援人员即降低进入化学灾害事故现场的救援人员人次、数量，这可以通过依靠现有固定消防设施或架设消防炮减少火场前沿灭火消防员、操作无人机航拍事故现场全貌、投入机器人进行救援等方式来实现。其中，依靠先进科学技术而生的机器人，不但能最大程度的代替救援人员进入化学灾害事故现场，还能获得与救援人员进入现场相当的救援效果。这使机器人成为目前各化学灾害事故救援专家及各特种装备设计生产厂商的研究热点。本文结合当今机器人的应用现状简要阐述机器人在化学灾害事故救援中的广阔应用。

1 机器人应用现状

近年来，机器人在我国投入使用量迅速增多，本土机器人生产企业也呈快速增长趋势[1]。一般来说，机器人主要由机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四部分构成。其中，机械系统主要包括机身、末端操作器和行走机构等，通过自身具有的若干个自由转动关节，达到行走、抓拿取物等功能；驱动系统，则相当于人的肌肉，使机器人执行接受指令信号同时能够准确控制执行力度，防止因用力过猛造成被抓物体损坏等；控制系统相当于人的大脑，通过输入相关程序，操控机器人完成相应的作业任务；感知系统相当于人的五官，可以获知机器人周边环境的某些特定状态，如距离、接触情况等[2]。

目前机器人在许多行业都有所应用。2015年机器人因具有行走功能，首次应用于快递行业解决最后一公里问题[3]。随着科技的发展，机器人具备了仿真手脚结构，利用视觉识别技术在快递行业的包裹分拣、码垛等环节都有了更广阔的用武之地[4-5]。除此之外，先进技术赋予机器人行走功能、配备机械手足、安装视觉系统等，这使机器人广泛应用于焊接、装配、喷涂、搬运、抛光打磨等工业生产[6]，甚至在果蔬采摘等农业领域也大展身手[7]。已经在多个行业领域成功投入使用的机器人，相信其在化学灾害救援事故现场同样能大显身手。

2 机器人替代救援人员进行化学灾害事故救援侦查检测工作

成功处置化学灾害救援事故，关键在于尽快查明现场泄漏及存在的危险化学品的种类、储量、泄漏部位、泄漏量和周边扩散情况等信息，这为现场指挥部制定正确阻止危险化学品进一步泄漏以及疏散周边受威胁的群众等诸多科学决策提供理论依据。传统的侦查检测方法主要有询问现场知情人、外部观察、内部侦查和仪器检测。询问知情人和外部观察主要是通过询问现场人员对事故发生过程进行了解、观察现场人员接触危险化学品后的一些症状、现场动植物接触泄漏的危险化学品的反应以及泄漏危险化学品的颜色气味状态等信息，初步判断泄漏危险化学品的种类和危险性，这些对救援人员的威胁相对较小。内部侦查和仪器检测则是组织救援人员成立侦查检测小组，携带侦查检测装备器材深入事故现场，探查灾害事故现场存在危险化学品的种类、泄漏位置、泄漏量及空气中的易爆、毒害等物质的浓度。侦查检测小组成员的防护装备是否能承受未知危险化学品的腐蚀渗透、泄漏现场是否具有燃烧爆炸性等诸多危险因素除了给侦查检测人员带来一定的心理压力外，还容易造成一定程度上的身体伤害；从侦查检测小组准备进入灾害事故现场到检测完毕，耗时较长、检测数据不能实时更新，存在一定的误差，这都会影响指挥部的科学决策。

利用先进的科学技术，机器人在设计上能够实现具有一定的抗腐防爆功能，从而具备进入化学灾害事故现场的基本条件。常见的救援人员使用的侦查检测装备器材，其核心部件是通过电化学传感器、红外检测、气相色谱、质谱等手段将被测危险化学品的定性定量信息转化为电信号，并且采用的检测手段不同，所能检测的危险化学品种类有所不同。这些核心部件同样可以加工改装成相应的危险化学品检测模块，被具有行走功能的机器人带入危险的化学灾害事故现场，通过转换各个检测模块，对化学灾害事故现场的可疑物质进行定性定量检测、时时检测、巡查检测，结合机器人的位置定位信息则可以形成化学灾害事故现场的实时检测数据。利用无线视频和实时数据的无限传输技术，机器人操控者能够在化学灾害事故现场周边的安全地带实时接收机器人的实时检测结果，甚至可以操控机器人近距离查看危险化学品的泄漏现状，及时绘制化学灾害事故现场中心区的详细情况说明，为指挥部下一步制定的救援决策提供更为准确的科学依据。目前携带硫化氢气体报警器、可视视频摄像头的相关机器人已应用于中国石化站场，按照规定的路线能够对阀门、管道等进行巡检[8-9]。

3 机器人替代救援人员疏散救助被困人员

化学灾害事故具有突发性。危险化学品的突然爆炸、燃烧、泄漏容易导致现场及周边出现建筑坍塌、空气染毒等危险；现场人员若不能及时躲避则会因被埋压、中毒而受伤甚至休克昏迷，被困在事故现场，无法依靠个人力量逃脱。传统搜救被困人员的方法是仪器探测和搜救犬对被困人员位置进行粗略定位，搜救人员深入现场内部通过身体触摸等摸索排查进行精准定位。无论是何种方式，最终都是救援人员需要携带破拆、顶撑等功能的工具靠近被困人员的狭小空间，运用工具尽力为被困人员营造相对安全的空间，再通过拖拽被困人员或清除坍塌杂物来解救被困人员。救援过程中随时伴有二次坍塌、燃爆、毒害等危险，救援人员时刻受到自身的伤亡威胁。

在被困人员的救援疏散过程中，机器人的投入使用则能够很好地降低救援人员的人身伤亡风险。这需要机器人具有行走功能，配备能够适用黑暗环境的视觉系统。具有此功能的机器人能够在操控者的指挥下深入事故现场搜寻和准确定位被困人员，并将被困人员的现状以动态影像形式传输至机器人操控终端。根据被困人员的受困信息，指挥部可以有针对性的选择相应装备器材和最佳救援人员进入狭小空间现场进行救助，从而避免携带不必要的装备耗费体力、因选择不合适的救援人员而需要更换等现象的发生，节约救援时间，降低现场环境对救援人员的威胁；若机器人同时配备了机械手等辅助工具，条件具备的情况下指挥部也可以选择远程操控机器人对受伤、昏迷的被困人员进行搬运的方式，将被困人员疏散至安全地带。

4 机器人携带相应装备辅助灭火救援

伴有火灾发生的化学灾害事故现场，容易产生毒害烟气，并伴有爆炸的危险性。传统的灭火方法是救援人员铺设水带至前沿阵地，并停留在前沿水枪阵地实时调整射流位置、方式等进行灭火。从后方的水源地到火场前沿的水带铺设，不间断供水、供泡沫液，需要多名救援人员的数次奔波于危险区域；即使架设水炮替代水枪，仍需救援人员定期前去对水炮射流方位进行调整。总体来说危险化学品火场的突然爆炸、爆燃或毒害气体对救援人员的人身安全都存在巨大的危险隐患。

具有行走功能的机器人投入灭火救援事故现场，能够运送水带、泡沫液等物资往返于火场前沿，大大降低救援人员前往危险化学品火灾前沿的人数次数；携带消防炮的行走机器人则能够拖动水带直接前进到火场前沿；配有机械手臂的机器人甚至可以按照相关指令对自身携带的水炮射流等进行调整，这充分降低了化学灾害事故现场的火灾对救援人员的威胁。目前投入使用的消防机器人“路虎60”雪炮车、JMX-LT50机器人已经具备消防炮功能，可以喷射直流水、雾状水甚至泡沫[10]，据实战资料显示，消防灭火机器人可以根据需要到达指定位置，并能调整喷射角度[11]。

随着科技的不断发展进步，更多的危险化学品被赋予新的使命，随之而来的是更复杂、更危险的化学灾害事故的发生。人机交互的机器人既可以接受操作者指挥，也可以运行预先编排的程序代码，已经能够协助甚至取代人类进入多个行业中工作，危险的化学灾害事故现场救援急需机器人的加入。目前市场上，跟消防救援有关的主要是灭火机器人和侦查检测机器人，其中携带消防炮的消防机器人已在灭火实战中发挥了巨大的作用；侦查检测方面的机器人虽有开发，但是多局限于对可燃气体和部分有毒气体等的检测，检测范围较小，难以实现替代救援人员进行全方位的侦查检测任务。机器人的携带能力大小、行走方式(轮式、履带式等)和遥控距离等都对机器人的投入使用有很大的影响。如何利用先进科学技术改进机器人使之更加具备化学灾害事故救援技能，将成为机器人在化学灾害事故救援中应用的一个重要研究方向。