人工智能在消防裝備中的應(yīng)用研究

摘要：文章結(jié)合當(dāng)前人工智能技術(shù)在消防裝備領(lǐng)域的具體應(yīng)用，綜述了人工智能在消防裝備中的應(yīng)用現(xiàn)狀，特別是人工智能在消防物資儲備量的智能管理、智能消防機(jī)器人、火災(zāi)火源點自主定位識別、智慧消防領(lǐng)域的具體應(yīng)用。文末，對未來人工智能在消防裝備中的應(yīng)用發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：人工智能;消防裝備;火災(zāi);救援人工智能（ArtificialIntelligence，AI）作為多學(xué)科交叉融合的先進(jìn)技術(shù)，已在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，社會層面對消防裝備的技術(shù)水平和應(yīng)用需求也在不斷提高，基于現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)消防裝備，已不能夠滿足當(dāng)前社會對于消防救援裝備的智能化、時效性、便捷智能操作等的需求。目前，正在持續(xù)推進(jìn)的智慧城市建設(shè)，其發(fā)展建設(shè)關(guān)鍵的一環(huán)為智慧消防建設(shè)，智慧消防建設(shè)為城市的公共安全提供了基礎(chǔ)安全保障。智慧消防建設(shè)過程中涉及的感知技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、城市基礎(chǔ)功能智慧化應(yīng)用等也是智慧城市建設(shè)的核心和關(guān)鍵?；谏鲜龇治隹芍?，智慧消防作為一項科學(xué)技術(shù)，具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性的特點。智慧消防技術(shù)的發(fā)展建設(shè)主要依附于先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、信息集成技術(shù)等先進(jìn)人工智能的智能消防管理控制系統(tǒng)。目前智慧消防技術(shù)已在智能化的消防火災(zāi)監(jiān)督以及火災(zāi)應(yīng)急救援實戰(zhàn)工作中得到了廣泛應(yīng)用和推廣。為此，基于人工智能技術(shù)設(shè)計開發(fā)更加智能、操作更為便捷的消防裝備勢在必行。文章結(jié)合近幾年國內(nèi)外人工智能技術(shù)在消防裝備研究領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為消防裝備的開發(fā)設(shè)計工作提供相關(guān)理論和實踐參考。一、消防物資儲備量的人工智能管理消防救援裝備物資作為消防應(yīng)急救援過程中的作戰(zhàn)必需品，在進(jìn)行消防救援時能否及時、準(zhǔn)確、合理地運送到火災(zāi)救援現(xiàn)場，直接關(guān)系到火災(zāi)救援的時效性。應(yīng)急消防救援物資儲備量智能預(yù)測，通常來講基于消防救援物資的需求，或者基于消防救援物資的自身特征屬性。消防救援的救援儲備物資通常由固定的消防物資儲備庫進(jìn)行儲存，是保障消防物資安全管理的重要一環(huán)。為此消防救援物資的儲備量的精準(zhǔn)、智能管理對于消防救援的實時性和有效性具有重要作用。對于大型火災(zāi)或者火情較為復(fù)雜的救援現(xiàn)場，一般需要多個消防救援單位協(xié)同作戰(zhàn)，這期間就需要功能完備、管理功能精細(xì)、準(zhǔn)確的消防物資儲備管理系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的消防物資管理方法極易出現(xiàn)救援物資信息錄入錯誤或者物資缺失等現(xiàn)象，不能夠做到對消防救援物資信息的準(zhǔn)確管理。在消防救援過程中，尤其對于涉及多種消防物資的拿取及調(diào)配任務(wù)時，傳統(tǒng)消防物資管理方法不能夠適應(yīng)相應(yīng)的需求。隨著智能物流管理技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)技術(shù)在消防物資管理中得到應(yīng)用和推廣，但是僅僅依靠傳統(tǒng)的計算機(jī)技術(shù)、射頻掃描技術(shù)，是無法全面、準(zhǔn)確地完成消防物資管理工作的。其中，基于基礎(chǔ)技術(shù)的消防物資管理方法，在處理消防物資的入庫和出庫環(huán)節(jié)時，無法將相關(guān)的消防物資庫存數(shù)據(jù)信息實時更新和完善，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)更新不及時，導(dǎo)致消防物資管理數(shù)據(jù)庫中的物資數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確?？梢?，該類基于基礎(chǔ)技術(shù)的消防物資管理方法，在消防物資管理的實時性及準(zhǔn)確性上仍然存在一定的不足?，F(xiàn)階段，基于人工智能技術(shù)的消防物資精細(xì)化管理研究，已經(jīng)將部分研究成果在消防物資管理實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。筆者分析有關(guān)消防物資精細(xì)化研究的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前人工智能技術(shù)在消防物資的管理研究工作中主要涉及消防物資儲備物品的分類、消防救援儲備物資存儲量預(yù)測、消防物資庫存量控制、消防物資儲備件的控制等?，F(xiàn)階段基于人工智能的消防救援物資儲備資源智能管理研究，已經(jīng)取得了諸多研究成果。二、智能消防機(jī)器人消防作業(yè)是非常危險的，特別是當(dāng)火場充滿煙霧或其他有毒氣體時。消防機(jī)器人作為智能化消防裝備的代表，能夠協(xié)助消防員參與火災(zāi)撲救，提高消防滅火作戰(zhàn)效率。目前，許多類型的消防機(jī)器人已被用于室內(nèi)或室外火災(zāi)環(huán)境。美國和日本是最早開展對消防機(jī)器人研究及應(yīng)用的國家，其研制的消防機(jī)器人多以功能集成為目標(biāo)，可在高危作業(yè)環(huán)境下滿足多種作業(yè)要求，并已具備較為成熟的第三代人工智能化控制功能。Su等人[1]設(shè)計了一種用于智能建筑的帶有一個滅火器和三個火焰?zhèn)鞲衅鞯南罊C(jī)器人，并提出了一種用于機(jī)器人火災(zāi)檢測的自適應(yīng)融合方法。Sandeep等人[2]提出了一種基于長波紅外攝像機(jī)、紫外輻射傳感器和激光雷達(dá)的智能消防機(jī)器人火災(zāi)探測算法。實驗結(jié)果表明，當(dāng)火勢熄滅時，機(jī)器人可以立即計算出其走向火場的路徑并返回到原來的起始位置。Rangan[3]開發(fā)了一種消防機(jī)器人，該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計理念，包括火災(zāi)探測、路徑引導(dǎo)和滅火操作?；谟嬎銠C(jī)視覺的火災(zāi)探測算法用于提取火災(zāi)的非靜態(tài)特征，溫度和紫外線傳感器用于確認(rèn)火災(zāi)的存在以及深度映射。當(dāng)前，我國也在開展智能消防機(jī)器人的研究工作。張慧賢等[4]對作業(yè)現(xiàn)場未知環(huán)境進(jìn)行信息辨識、智能感知、具有一定路徑規(guī)劃與軌跡預(yù)測能力的消防機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)需求以及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，智能消防機(jī)器人需要開展火災(zāi)現(xiàn)場救援環(huán)境信息的重建、具有自主路徑規(guī)劃和感知功能、自主控制技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)火災(zāi)的自主撲救等先進(jìn)功能。孫上杰等[5]基于深度學(xué)習(xí)算法開展了面向森林消防機(jī)器人的路徑規(guī)劃設(shè)計研究，解決了消防機(jī)器人在復(fù)雜火災(zāi)環(huán)境人工操作困難、操作誤差大等問題。三、火災(zāi)火源點自主定位識別技術(shù)火災(zāi)火源點的定位識別技術(shù)在火場救援中非常關(guān)鍵，相對于傳統(tǒng)感煙、感溫、感光類火災(zāi)檢測技術(shù)，由于其自身技術(shù)特點的局限性，既能夠進(jìn)行火災(zāi)的報警和預(yù)警功能，不能夠在戶外、較遠(yuǎn)的距離以及動態(tài)工作情況下應(yīng)用，更不能夠?qū)馂?zāi)火源的具體位置進(jìn)行定位分析，無法在移動的智能消防裝備中應(yīng)用。伴隨著智能圖像處理技術(shù)的發(fā)展及在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，基于視覺或圖像處理技術(shù)的火災(zāi)檢測研究成果，在實戰(zhàn)救援和偵察工作中得到廣泛應(yīng)用?；趫D像的火災(zāi)火源點自主定位識別技術(shù)，通過對拍攝的火焰火源視覺圖像識別，檢測到動態(tài)變化的火焰特征，便可實現(xiàn)對火災(zāi)火源點的檢測?；趫D像識別的火災(zāi)火源點自主定位識別技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)對可見火焰光的視頻圖像探測分析，同時還可以完成對紅外視頻火災(zāi)火源點的定位探測分析，對比傳統(tǒng)感煙、感溫、感光類火災(zāi)檢測技術(shù)，基于圖像識別的火焰檢測識別方法適應(yīng)性更強(qiáng)，適用范圍更加廣泛。在基于圖像的火災(zāi)火焰識別研究領(lǐng)域，根據(jù)火焰圖像能獲取更多火災(zāi)現(xiàn)場的火焰特征。傳統(tǒng)的火焰識別研究工作主要依賴火焰圖像檢測識別分類器，這時提取火焰圖像中的火焰特征值，需要更多地依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗?；鹧孀R別的關(guān)鍵一點在于特征值的提取是否正確、有效。常用于火焰識別研究的特征包括：火焰的亮度、火焰的高度重心、火焰的初始面積變化特征以及火焰的多重分形譜特征等。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)在目標(biāo)識別檢測研究工作中的應(yīng)用。利用深度學(xué)習(xí)強(qiáng)大的特征學(xué)習(xí)和建模能力，火焰的識別精度和識別效率方面得到提升。Tian[6]等人提出了一種基于FastR-CNN的火焰識別方法，基于AlexNet模型實現(xiàn)了火災(zāi)火焰特征的自動提取。Szegedy[7]等人提出了基于GoogleNet網(wǎng)絡(luò)的火焰檢測體系結(jié)構(gòu)，該方法在檢測精度和效率之間取得了一定的平衡，但仍然存在較高的誤報率?，F(xiàn)階段常用于火災(zāi)火焰識別的深度學(xué)習(xí)算法模型主要有：R-CNN和YOLO、SSD檢測算法[8]。前者采用區(qū)域建議方法生成樣本候選幀，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本進(jìn)行分類;后者將候選幀的提取和分類兩個任務(wù)合并到一個網(wǎng)絡(luò)中，將邊界定位問題轉(zhuǎn)化為回歸問題進(jìn)行處理。前者在檢測精度和定位方面具有優(yōu)勢，而后者的檢出率更高。YOLOv3算法采用了分類效果更好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Darknet53，利用多尺度特征進(jìn)行預(yù)測，提高了小目標(biāo)的識別率，保持了速度優(yōu)勢，提高了檢測精度。姚月姣等[9]設(shè)計了一種港口倉庫自動滅火系統(tǒng)，系統(tǒng)采用智能型主動噴水滅火系統(tǒng)，能夠自動探測火源，并實施主動噴水滅火。Liu等[10]開發(fā)了一種基于紅外視覺的自動噴氣滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了在濃煙、低照明度的情況下基于視覺的火災(zāi)自動定位困難問題。薛節(jié)[11]基于紅外成像理論，開展了圖像型火災(zāi)探測及火源定位系統(tǒng)的研究，提出了一種基于雙目視覺的火源的定位方法?；谌斯ぶ悄芎蛨D像識別技術(shù)可在傳統(tǒng)消防炮、消防機(jī)器人等消防裝備的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計出具有自主識別定位火災(zāi)火源點的智能消防裝備[12]。綜上可知，國內(nèi)外就消防滅火自動化技術(shù)進(jìn)行了較為廣泛的研究，部分研究成果在消防實戰(zhàn)中已經(jīng)得到了應(yīng)用。四、智慧消防技術(shù)智慧消防建設(shè)作為智慧城市的一部分，一直受到各級消防部門的關(guān)注。智慧消防技術(shù)作為先進(jìn)的消防救援解決方案，與傳統(tǒng)消防救援方法比較而言，智慧消防技術(shù)側(cè)重于消防救援信息的多渠道互通互聯(lián)、優(yōu)化消防預(yù)警能力及消防應(yīng)急指揮決策力。從消防技術(shù)的發(fā)展和公共安全的需求看，智慧消防是信息化背景下對社會消防安全管理模式的創(chuàng)新，是現(xiàn)代消防發(fā)展的必然趨勢。隨著智慧城市建設(shè)背景下對智慧消防產(chǎn)業(yè)的大力推進(jìn)，智慧消防將成為消防設(shè)施建設(shè)和管理中不可或缺的組成部分，是未來智慧城市建設(shè)及管理的發(fā)展方向。智慧消防技術(shù)基于“早發(fā)現(xiàn)、早處理”的救援原則，能將火災(zāi)風(fēng)險和影響降到最低。要想真正實現(xiàn)智慧消防，不能夠僅將消防設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)到平臺，而是需要綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI、5G網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)對火災(zāi)風(fēng)險環(huán)境的智能感知、智慧決策、流程把控、科學(xué)指揮等。目前智慧消防技術(shù)已在國內(nèi)的消防救援領(lǐng)域得到了具體應(yīng)用和實踐，特別是智慧消防技術(shù)在火災(zāi)研判、火災(zāi)監(jiān)督管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)資料分析了智慧消防在防火監(jiān)督業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，還有的分析了智慧消防視域下的社會消防安全管理。同時在電力行業(yè)，智能消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也得到了設(shè)計、開發(fā)和研究。傳統(tǒng)電力行業(yè)的消防安全管理存在數(shù)據(jù)缺失、維護(hù)難度大、監(jiān)管缺失、互動缺失等明顯弊端。這種管理方式滯后于當(dāng)前“門前推進(jìn)”“全流程管理”等先進(jìn)的安全管理理念，不適應(yīng)未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的需要。針對這些問題，筆者建議構(gòu)建電力行業(yè)智能消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集中信息窗口，訓(xùn)練電力智能消防大腦，建立消防云管控系統(tǒng)，構(gòu)建電力消防交互機(jī)制、多方協(xié)同消防機(jī)制，實現(xiàn)“全網(wǎng)一體”理念，全網(wǎng)中的一切服務(wù)于管理火災(zāi)。對于存在極大火災(zāi)救援控制和防范困難的隧道火災(zāi)，相關(guān)研究人員設(shè)計開發(fā)了基于數(shù)值數(shù)據(jù)庫和人工智能的隧道火源智能檢測方法。在實際隧道火災(zāi)中獲取火源信息是一個很大的挑戰(zhàn)。然而，應(yīng)用人工智能（AI）和大數(shù)據(jù)的框架來預(yù)測隧道數(shù)值模型中的火源，能快速準(zhǔn)確地識別出火源的位置和大小，通過構(gòu)建一個數(shù)值模擬的大型隧道火災(zāi)數(shù)據(jù)庫，設(shè)定不同的火災(zāi)位置、火災(zāi)規(guī)模和通風(fēng)條件，對于指導(dǎo)火災(zāi)救援和撲救隧道火災(zāi)具有重要的科學(xué)實用價值。五、總結(jié)與展望人工智能技術(shù)在消防裝備中的應(yīng)用，不僅對于提高消防裝備的實戰(zhàn)能力具有積極作用，同時為及時有效處置各種復(fù)雜火災(zāi)火情提供了新的技術(shù)解決方案。文章結(jié)合人工智能技術(shù)在消防機(jī)器人、火災(zāi)火源智能定位、智慧消防以及消防物資的智慧管理等方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析總結(jié)。相信，未來隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，會有更多的新技術(shù)、新方法應(yīng)用到消防裝備領(lǐng)域。筆者認(rèn)為未來人工智能技術(shù)在消防裝備領(lǐng)域的應(yīng)用，將重點圍繞以下幾個方向發(fā)展：（