05 сентября 2007
В. Корсунский. Мобильные роботы как средство дистанционной борьбы с пожарами.
В. Корсунский
Мир и безопасность №3, 2007
Использование спасательного персонала при тушении пожара всегда связано огромным риском. Очень часто пожарники-спасатели получают ожоги, травмы и подвергаются опасности погибнуть при обрушении строительных конструкций. Во многих случаях для сохранения их жизни требуется вести дистанционное управление тушением пожара. Такими интеллектуальными средствами борьбы с огненной стихией стали всё чаще и чаще используемые в последнее время дистанционно управляемые мобильные противопожарные роботы. Мобильный робот (МР), у которого не режет глаза от дыма, не имеет страха перед огнем и относительно устойчив к чрезмерному тепловому воздействию, может тушить пожар тремя путями: прямым воздействием струи, разбрызгиванием пены или при помощи водяного тумана, охватывающего большую область.
Как было отмечено ранее (см. статью в № 4 журнала «Мир и безопасность» за 2003 г.), область использования МР для тушения пожаров практически не ограничена. Такие роботы можно применять на объектах гражданского и военного назначения, как внутри зданий и сооружений, так и снаружи.
Особенно актуальным является применение противопожарных роботов во время различных инцидентов на предприятиях деревообрабатывающей, нефтехимической, газовой и атомной промышленности, т.к. помимо тушения пожара приходится иногда вытаскивать и нейтрализовывать химически опасные и радиоактивные материалы.
Таким образом, в качестве альтернативы людям в подразделениях пожарной безопасности могут быть использованы дистанционно управляемые машины – мобильные роботы. Этот интеллектуальный помощник готов оказать техническую помощь в сложной ситуации во время тушения пожара, например, когда командир подразделения по каким-либо причинам не может связаться с персоналом. Оснащенный различным технологическим и вспомогательным оборудованием, системой видеонаблюдения (несколькими видеокамерами инфракрасного и панорамного изображения), множеством различных датчиков, имитирующих органы чувств человека, средствами связи (микрофоном), робот поможет быстро связаться, например с пожарным, получившим травму, отыскать потерявшего сознание человека и оказать ему экстренную помощь, а при необходимости и эвакуировать раненого.
Электронная техника, являющаяся составной частью - «мозгом» системы управления и средства связи МР, продолжает в мире бурно развиваться, оказывая влияние на облик и структуру робота. Рассмотрим, что нового появилось в мире за последние пять лет в данной области техники.
Обзор конструкций и примеры использования противопожарных МР за рубежом
Германский химический концерн BASF приобрел в 2000 г. и использовал при возникшем на предприятии инциденте из-за возгорания легковоспламеняющихся средств мобильный противопожарный робот FIREROB. МР, разработанный фирмой Telerob (Германия) (рис. 1), имеет гусеничную ходовую часть с индивидуальным приводом мотор-звездочек, броневую и тепловую защиту корпуса, позволяющую ему кратковременно действовать на близком расстоянии от очага пожара. В задней части корпуса на кронштейне подвижно закреплены штага-удлинитель с экранированным брандспойтом и бобина с намотанным на нее гибким шлангом. Предусмотрены различные варианты компоновки и оснащения навесным оборудованием, при помощи которого оператор, дистанционно управляя роботом, может проделывать (сверлить) отверстия в стенах, перемещать контейнеры с избыточным давлением, закрывать/открывать задвижки, клапаны и вентили, а также выполнять другие виды вспомогательных технологических операций, возникающих при пожаре.
Рис. 1. МР FIREROB, разработанный фирмой Telerob
Фирма Telerob также производит на базе серийного робота MV-4 противопожарную роботизированную систему Safety Guard.
МР предназначен и для работы с опасными объектами в случае возникновения пожара на предприятиях атомной энергетики и химической промышленности. Перевозка робота на значительные расстояния может осуществляться в составе подвижного поста управления (ППУ), выполненного на базе комплекса типа TEL600.
Телекамеры переднего и заднего обзора Safety Guard снабжены термокожухами, защищающими их от огневого воздействия, при этом блоки управления размещены в специальном броневом корпусе робота. Ходовая часть робота имеет двухгусеничную геометрию с подрессоренными опорными катками. Установленный на корпусе манипулятор робота имеет 6 степеней свободы с возможностью вращения в горизонтальной плоскости на 360°. Захватное устройство манипулятора снабжено датчиком, который позволяет оператору контролировать силу его сжатия. Робот снабжен микрофоном для передачи речевых команд, управляется как по кабелю, так и по радио с поста управления автомобиля (TEL600) или оператором вручную при помощи носимого пульта (рис. 2).
В качестве дополнительного оборудования Safety Guard может оснащаться прицепной тележкой, содержащей катушку с гибким шлангом, тепловизором, видеокамерой инфракрасного диапазона, дальномером и другими специальными приспособлениями.
Двумя наиболее известными дистанционно управляемыми транспортными средствами, разработанными фирмой QinetiQ (Великобритания), являются роботы Fire Spy и Carlos.
Специальные материалы и покрытия, используемые в конструкции противопожарного робота Fire Spy, позволяют ему проникать в самый эпицентр пожара и, находясь под воздействием температуры до 800 °С, удалять оттуда легковоспламеняющиеся, взрыво- и экологически опасные вещества. В качестве базы для транспортной платформы робота была выбрана полноприводная четырехколесная машина. Fire Spy имеет дистанционное управление (до 100 м) по кабелю и оснащен двумя (инфракрасной и обычной) видеокамерами, что позволяет оператору получать информацию, а также следить за течением и развитием процесса пожара. В передней части МР установлен манипулятор с мощным ковшовым захватным устройством.
Рис. 2. Мобильная роботизированная система пожаротушения Safety Guard
Мобильный противопожарный робот Carlos относится к легкому классу машин. Он достаточно компактен, имеет массу около 200 кг и на корпусе его подвижно закреплен брандспойт (рис. 3). Дистанционное управление роботом и питание электродвигателей робота осуществляется оператором по бронированному и водонепроницаемому кабелю с пульта, находящегося на расстоянии 100 м. Наблюдение за обстановкой ведется по монитору, изображение на который передается по линии связи при помощи одной штатной или двух видеокамер, устанавливаемых на МР. Робот имеет полноприводное четырехколесное шасси и при необходимости может быть перенесен вручную четырьмя пожарниками ближе к месту выполнения работ. Транспортирование робота на значительные расстояния осуществляется при помощи любого городского автомобиля или специального транспортного средства, на котором размещаются пост дистанционного управления и оснастка.
Рис. 3. МР Carlos фирмы QinetiQ
Практика применения этих мобильных систем показала, что, в основном, они предназначены для использования в чрезвычайных ситуациях, а применение их для повседневного обслуживания пожарных команд нецелесообразно. Система управления роботов обладает устойчивостью к воздействию ошибок и надежностью, которая была подтверждена в ряде опасных ситуаций при крупномасштабных нефтяных пожарах. МР предназначены для ликвидации пожаров самолетов на аэродромах, опасных химических утечек и для пожаров с риском обрушения зданий.
Японская фирма Tmsuk совместно с университетом Кюсю и технологическим институтом Кацанавы разработала гуманодный робот Ubiko, который наделен искусственным интеллектом и совершенной сенсорной системой, способной идентифицировать сопровождающие процесс горения запахи. Робот Ubiko массой 60 кг и высотой 112 см оснащен колесным полноприводным движителем (рис. 4). На одном из этапов показательных испытаний роботу была поставлена задача отыскания объекта (помещения) с присущим специфическим запахом дыма. При последовательном обходе всех помещений роботом была выявлена комната, в которой присутствовал специфический запах сигаретного дыма, которая была им идентифицирована как пожароопасная. После этого робот передал оператору на пост управления сигнал тревоги о наличии в зоне обследования опасного объекта.
Рис. 4. Японский мобильный противопожарный робот Ubiko
В целях усовершенствования интеллектуальных способностей МР в дальнейшем предполагается увеличить точность сенсорной системы для наделения противопожарного робота способностью улавливать тонкие запахи, которые люди даже не ощущают. Данная конструкция МР не предназначена для выполнения непосредственно операций по тушению пожара, кроме умения сообщать о пожароопасной обстановке оператору на пост управления. Этот робот в настоящее время может найти применение для офисных помещений, где он может обрызгать антипиреном заядлых курильщиков или работников, которые посетили места, где было чересчур дымно.
Японская компания Secom разработала четырехколесный робот наблюдения, который может быть дистанционно управляемым либо выполнять работу по предварительно заложенной в него программе.
Корпус робота X сделан из высокопрочной пластмассы и имеет следующие габаритные размеры: длину 106 см, ширину- 80 см, высоту-98 см (112см - максимум) и весит около 120 кг. Максимальная скорость перемещения робота составляет до 10 км/ч, а радиус действия — 24 км без перезарядки бортовых аккумуляторных батарей. В качестве видеодатчика робот может использовать любой тип камеры (однонаправленную, черно-белую или цветную с широким полем зрения, либо инфракрасного излучения), в т.ч. защищенную от теплового воздействия.
Робот предполагается использовать для пожарной охраны аэропортов, морских портов и промышленных территорий с пожароопасным производством, где он может в автономном режиме патрулировать по заранее определенным маршрутам, заложенным в «память» интеллектуальной системы или в супервизорном режиме управлялся по связи типа Wi-Fi.
В Японии разработан также интеллектуальный робот, получивший прозвище Lassie, который позволяет эвакуировать из зоны бедствия пострадавших во время пожара и находящихся в бессознательном состоянии людей (рис. 5). Робот достаточно громоздкий, хотя обладает способностью автономного управления, т.е. наделен искусственным интеллектом. На корпусе МР установлены мощные осветители, проблесковый маяк и несколько видеокамер (обзорная - большего размера и две боковых - меньшего). МР Lassie имеет двухгусеничную ходовую часть с индивидуальным приводом и снабжен двумя одинаковыми мощными манипуляторами, способными захватить за одежду и подтянуть пострадавшего к конвейеру, по которому происходит его перемещение внутрь робота. Схема размещения манипуляторов напоминает компоновку отечественной снегоуборочной машины.
Рис. 5. Японский МР эвакуирует пострадавшего
Бразильская фирма ARMTEC разработала конструкцию противопожарного робота, удерживающего два пожарных рукава, пропущенных через внутреннюю часть корпуса и объединенных в один распыляющий воду брандспойт, который укрощает огонь мощной струей воды (рис. 6). Робот, получивший название SACI, имеет двухгусеничный движитель, снабженный металлической гусеницей, и обладает при этом небольшими габаритными размерами.
Для тушения труднодоступных очагов пожара робот может направить струю воды на расстояние до 60 м, при этом брандспойт имеет возможность перемещения в вертикальной плоскости на угол от 20 до 70°. Питание МР осуществляется от бортовых аккумуляторных батарей, энергии которых без дозарядки для приведения в действие жидкостных насосов хватает ровно на 3 ч.
Под эгидой NASA при участии компании General Atomics Aeronautical Systems была разработана новейшая технология предотвращения распространения лесных пожаров. Она состоит в том, что созданный на базе беспилотного дистанционно управляемого аппарата Predator самолет совершает облет пожароопасного района и передает на компьютер командного поста управления видеоизображение в реальном масштабе времени, а также другие данные, например о метеорологических условиях в районе пожара. Время полета аппарата, получившего название Altus II, составляет около 24 ч. На борту беспилотного летательного аппарата Altus II может устанавливаться видеокамера, работающая в инфракрасном спектре изображений. Получив данные об источниках возгорания в лесных массивах, летающий робот посылает их через спутник на сервер, который далее передает их на станцию обработки изображений. Затем информация поступает на другую рабочую станцию, где данные быстро импортируются в пакет прикладных программ анализа изображений. После завершения процесса преобразования данных, они архивируются и передаются через Интернет в Центр предотвращения катастроф, заказчику или на командный центр, где пожарники могут использовать их для принятия экстренных мер.
Рис. 6. Противопожарный робот SACL, разработанный бразильской фирмой ARMTECРазработка противопожарных роботов в России
Официальной датой создания первого противопожарного робота в нашей стране принято считать 18 июня 1984 г. В этот день специалистами из Карелии для защиты памятников деревянного зодчества (музея «Кижи») был создан дистанционно управляемый робот, предназначенный для борьбы с пожарами. Об этом подробно писалось в нескольких советских журналах. Вскоре при государственной поддержке в Петрозаводске была создана лаборатория пожарных роботов, работающая в тесном контакте с УГПС Карелии, ВНИИ противопожарной обороны г. Москвы и ГПИ «СевЗапСпецавтоматика» г. Санкт-Петербурга.
В период аварии на Чернобыльской АЭС первый пожарный робот и два других аналогичных быстро изготовленных образца техники были использованы для ликвидации последствий катастрофы.
В 1990-е гг. из-за отсутствия финансовой поддержки работы по созданию противопожарных роботов были приостановлены. Однако на ряде предприятий и в вузах удалось сохранить научно-техническую базу и специалистов, которые продолжали разработки новых видов робототехнических устройств. За последние пять лет ситуация стала постепенно меняться в лучшую сторону. Были продолжены работы по созданию МР-пожарников в МГТУ им. Н.Э. Баумана, расширены разработки ЗАО «ЭФЭР» по более востребованным изделиям ствольной пожарной техники, которая относится к основным техническим средствам тушения пожаров, созданы новые разработки в рамках различных пилотных проектов и инициативных тем, предложены новые технологии.
Мобильный противопожарный роботехнический комплекс (МРК), разработанный МГТУ им. Н.Э. Баумана, включает в себя пост дистанционного управления (ПДУ) и дополнительное оборудование.
МР (рис. 7) представляет собой самоходную, управляемую дистанционно, гусеничную платформу, в состав которой входит транспортное средство, имеющее двухгусеничную ходовую часть с изменяемой геометрией, манипулятор, бортовую часть системы управления, телевизионную систему, а также дополнительное оборудование, состав которого меняется в зависимости от типа выполняемой задачи. Гусеница состоит из скрепленных между собой армированных полиуретановых элементов.
Управление роботом осуществляется оператором дистанционно по кабелю или по радио с ПДУ в командном режиме. Система дистанционного управления (СДУ) осуществляет пропорциональное изменение скорости робота и его оборудования. Конструктивно СДУ делится на пультовую и бортовую части. Пультовая часть СДУ монтируется на ПДУ и предназначена для задания команд управления, формирования командных посылок и преобразования их в код, удобный для передачи по кабелю или по радиоканалу. Задание команд управления осуществляется с помощью рукояток управления, переключателей и кнопок, расположенных на панели пульта управления (ПУ).
Необходимую информацию для выполнения работ оператор получает с помощью четырех видеокамер телевизионной системы, канала акустической связи и дополнительно устанавливаемых на борту МР датчиков.
Рис. 7. Мобильный противопожарный робототехнический комплекс, разработанный МГТУ им. Н.Э. Баумана
Погрузочно-разгрузочные работы осуществляются манипулятором, имеющим пять степеней подвижности.
С использованием МРК можно проводить следующие виды работ: ведение визуальной разведки как снаружи, так и внутри помещений при помощи видеокамер; визуальный поиск очагов возгорания и тушения их с использованием штатных средств пожаротушения.
Мобильный робототехнический комплекс (МРК), разработанный по заданию МЧС России Центром технического творчества учащихся г. Йошкар-Ола, предназначен для тушения лесных пожаров. Компактная самоходная система со шнековыми движителями (рис. 8) имеет высокую проходимость и маневренность. При движении МРК оставляет за собой противопожарную полосу в виде рва, а установленный на нем огнемет позволяет поджигать лес скоростной огненной струей во встречном основному пожару направлении. Этот способ тушения лесных пожаров является одним из наиболее эффективных. По заявлению разработчиков, МРК может управляться как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Рис. 8. Мобильный робототехнический комплекс, для тушения лесных пожаров
Десантирование МРК в район возникновения пожара производится при помощи парашютной системы, при этом робот размещают и закрепляют в специлаьно предназначенном для этого контейнере.
Роботизированный комплекс ВидеолокаторTM Бот G7 построен на базе комплексной системы обеспечения безопасности, видеонаблюдения и аудиорегистрации ВидеолокаторТМ.
Робот может осуществлять круговой обзор при помощи четырех цветных видеокамер. При этом он способен при помощи высококачественной скоростной поворотной видеокамеры (с 230-кратным увеличением) исследовать объект, находящийся на удалении от робота до 1 км. В качестве звуковой обратной связи МР оснащен чувствительным микрофоном, который позволяет ему улавливать даже незначительные шумы. Кроме того, МР снабжен датчиком детектирования движения и устройствами для записи аудио- и видеоинформации, датчиком определения дыма для противопожарной защиты помещения.
Передача информации на пост оператора и управление МР осуществляется в командном режиме по беспроводной сети Wi-Fi Ethernet.
Пост связи оператора с роботом может находиться практически в любом месте, оборудованном подключенным к Интернету узлом. При необходимости МР может комплектоваться GSM-модемом, соединяясь с постом управления при помощи GPRS.
Все видеоканалы и аудиокана-ы, транслируемые роботом, могут быть включены в единую сеть видеонаблюдения на базе комплексной системы обеспечения безопасности ВидеолокаторТМ.
Конструкция робота ВидеолокаторТМ Бот G7, как и японского Secom X, не предназначена для выполнения прямых операций по тушению пожара (разбрызгивания воды или пены), а наделена умением сообщать о пожароопасной обстановке оператору на пост управления. МР может использоваться для детального осмотра потенциально опасных объектов.
Ствольная пожарная техника на защите объектов
Улучшение качеств и эффективности ствольной пожарной техники (дистанционно управляемых лафетных стволов) в значительной мере позволит снизить ущерб от пожаров.
Разработанные ЗАО ЭФЭР роботизированные установки пожаротушения (РУП) применяются для тушения пожаров на нефтяных объектах в г. Петрозаводске и в г. Новороссийске, на объектах Газпрома в г. Астрахань, в музее-заповеднике «Кижи», на лесозаводах и других объектах, осуществляя при срабатывании пожарных извещателей по заранее составленной программе автоматическое тушение пожара распыленными струями воды.
Особенно актуально применение пожарных роботов (ПР) на базе лафетных стволов, оснащенных ИК-датчиками обнаружения загорания в комплексных системах противопожарной защиты. При этом управление ПР осуществляется дистанционно по заданной программе. ПР, объединенные при помощи интерфейса RS 485 и управляемые с единого поста оператора, составляют роботизированный пожарный комплекс (РПК), который в отличие от МР является стационарным. РПК в настоящее время применяются для защиты высокопролетных сооружений, ангаров для аэробусов, крытых зрелищных спортивных сооружений, воздухоопорных конструкций.
При поступлении сигнала о пожаре от датчиков РПК осуществляет автоматическое наведение одного или двух ПР на очаг возгорания, запускает их в режиме автоматического сканирования и подает сигналы для приведение в действие электрических механизмов, управляющих задвижками, осуществляющими подачу огнетушащего вещества. В процессе тушения пожара производится наведение ПР на очаг возгорания, изменение скорости его перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскости и угла распыла струи, запускается программа сканирования робота и, при необходимости, оперативное изменение программы сканирования.
Заключение
В качестве меры, сокращающей риск поражения людей, мобильные робототехнические средства представляют собой ценное дополнение в любой ситуации для группы лиц, участвующей в борьбе с огнем. Мобильные роботы как борцы с пожаром хорошо оборудованы для работы в чрезвычайных условиях при высоких (от 400 до 900 °С) температурах и опасных вредных воздействиях веществ, выделяющихся в процессе горения. Кроме способности защиты от воздействия открытого огня, МР оснащаются дешевыми тепловизорами и другими бортовыми датчиками, чтобы позволить им исследовать операционное пространство, снижая при этом риск огневого поражения людей, обеспечивают статистический контроль обстановки в соответствии с поставленной задачей.
Об авторе: В. Корсунский, канд техн. наук, доцент МГТУ им. Баумана
Источник: журнал "Мир и безопасность"
