面向智慧社区的户外智能消防机器人设计

中国矿业大学 杨帅

目前，智慧社区的消防安全问题研究主要集中在室内的消防安全隐患上，但是社区的消防隐患并不只存在于室内，想要全方位解决社区的消防安全问题，户外消防安全问题也需要得到进一步重视。然而，当下并没有专业人员或机构在社区户外消防安全这一领域进行具体的研究，并提出可靠的解决方案。因此，解决智慧社区户外消防安全问题，填补社区户外消防安全问题的研究空白，对于全面解决智慧社区消防安全问题有重要意义，能够给居民生活安全提供多一层保障。

1 智慧社区概述

智慧社区的概念是从智慧城市这一理念中引申而来，是社区未来发展的导向，是社区治理模式的一种创新。区别于传统社区，智慧社区以社区信息化建设为基础，通过现代化的社区管理模式，开发更加智能化、人性化的社区配套产品，打造多功能的现代化社区。智慧社区的建设依赖于移动互联网、大数据、云计算等新一代信息技术的集成应用，在城市建设中的快速普及和公共信息服务平台的陆续开通，智慧社区为社区居民构建了一个更加具有安全性、舒适性、服务化、现代化、智慧化的生活环境，并且充分借助互联网、物联网等，把服务扩大到居民日常生活的方方面面[1]。但是我国现处在智慧社区发展的初级阶段，国内智慧社区发展存在诸多方面问题，例如目前针对社区户外消防安全的产品过于单一和传统，无法支撑未来智慧社区建设的需要[2]。

2 消防机器人概述

消防机器人是一种特种机器人，可搭载消防水炮、气体探测器、摄像机、红外感应器等设备，代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场，进行数据采集、处理和反馈，有效地解决消防人员在上述场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题，在进行灭火工作和抢险救援中能够发挥重要的作用。相较于传统的消防产品，消防机器人具有可自动进入充满有毒气体和具有强烈热辐射环境等危险场所中开展工作，可以对泄漏气体进行采样和检测、灵活控制消防水泡进行消防工作、抵抗高温和有毒气体的化学腐蚀等特点。消防机器人多使用于化工厂、油罐区、隧道、冷库等场所[3]，这些场所在发生火灾时往往伴随着爆炸、高辐射、有毒气体泄漏等特殊情况，对消防人员的安全有着极大的威胁。

当下消防机器人的研究已经过三次迭代，日本、美国等工业发达国家已经开始着手研究第三代智能化消防机器人。我国在消防机器人研究领域起步较晚，相较于日本、美国等发达国家仍有一定差距，但是也已经获得很多阶段性成果，如今在我国已有多种具备不同功能的消防机器人用于消防工作[4]。

3 户外消防需求分析

随着我国社区建设整体水平的提升，户外消防安全问题也面临更多新的挑战，户外消防的需求也不仅仅停留在简单的灭火层面。通过查阅相关文献，得到国家对于户外消防安全问题提出的新的要求与方向，包括：智慧消防、信息化消防系统、智能化消防产品、智能消防网络体系、联网监测、地理信息系统消防可视化、风险等级预测等。基于文献调查的结果，可以看出户外消防的整体需求偏向于智能化，并且以上功能需求的实现需要一款硬件产品作为承载平台。因此，需要对户外消防安全产品的具体需求进行调研。

首先通过对8 名社区居民进行访谈的方式，搜集社区户外消防需求，初步得到的需求包括：无人灭火、节约开发成本、自动充电、引导逃生、材料环保、火情反馈等。然而初步得到的这些需求是模糊的、混乱的，因此，可使用SET 分析法在社会趋势、经济动力、先进技术三方面，对这些初步需求进行全面、同步分析[5]，梳理的需求关键词见表1。但是传统的 SET 分析方法不能准确地获取各项需求的重要程度，因此采用问卷调查法确定各项需求的重要程度，再利用排序结果进一步完成 SET 产品机会重点缺口深度分析。同时可设计 7 级李克特量表问卷，将得到的每项户外消防需求指标划分为 7 个评价等级，需求的重要性和等级大小成正比[6]。其中对12 位设计专家和社区居民进行问卷调查，回收有效问卷11 份，整理后得到各项需求的重要程度得分，见表1。并将得分高于总分1/2 的编号为1、2、4、7、10、11、13、14、15、16 的10 项需求定义为设计的主要需求。

表1 户外消防需求得分表

再次利用SET 分析法对最终保留的主要需求进行深度分析，总结出智慧社区户外智能消防机器人的设计应主要解决以下几个方面问题：在社会层面，实现社区户外智慧化消防，并注重提高用户体验；在经济方面，拓展产品的适用场景，扩大产品市场以降低开发成本；在技术层面，发挥技术优势，提高社区消防效率，建立信息化智能消防系统。

4 面向智慧社区的户外智能消防机器人设计意义

4.1 全面承担城镇社区户外消防工作

当前我国城镇社区户外火灾的管理工作，主要是由公安消防部门负责。但是面对我国人口已经超过14 亿人的国情，消防资源仍显紧张，并且我国消防部门不仅负责火灾的扑救工作，同时还要负责处置化学危险品泄露、交通事故等各项工作，消防资源愈显不足。2020 年，我国城镇社区火灾发生10.9 万起，占火灾总数的43.4%，占用了大量的消防资源，给城镇消防工作增添了极大的压力。而且因为社区人口密集，一旦发生火灾，火势若得不到及时地控制，很容易造成更加严重的后果。因此，亟需开发一款足够智能化、兼具功能性的社区户外消防安全产品，来全面承担社区的户外消防安全工作。

4.2 提高社区消防效率

由于缺乏户外消防安全检测产品，社区户外火灾主要是由群众来发现，再由消防员进行灭火工作，但此时火势往往已经开始蔓延。在火灾发生初期，若火势得不到及时的处理，随着时间的推移，火势蔓延会导致更大规模火灾的风险呈现几何倍数递增。因此，预防火灾最理想的方式是第一时间发现火灾，以最快的效率进行灭火工作，防止火灾蔓延，这样能够最大程度保障居民的生命财产安全。智慧社区户外智能消防机器人与智慧社区的现代化监控监测系统实现智慧互联，可以实时监测社区内火灾发生情况，进而起到高效灭火、预防火灾蔓延的作用。

4.3 促进我国智慧社区建设

目前我国智慧社区的发展还处于起步阶段，智慧社区的建设需要更具智慧性、功能性的新产品及设备作为支撑。因此，我们必须加快进行智慧社区相关配套产品的设计与研究。智慧社区的户外智能消防机器人的研究，对未来智慧社区的消防安全产品开发，以及社区户外消防安全问题的研究有借鉴意义，能够加快推动我国智慧社区的发展，对促进我国社区现代化建设有着至关重要的作用。

5 智慧社区户外智能消防机器人设计原则

在现实情况下，人力、物力、知识等都是有限的，设计很难达到所有方面都理想的程度，所以设计中必须要依据产品的实际情况，科学地选择新产品开发应该遵循的原则[7]。文章研究的是一种全新的、面向未来开发的智能化消防安全产品，因此应合理地从新产品开发方案中遵循相关设计原则。

5.1 可行性原则

可行性原则可以用来衡量设计决策是否具有足够的落地性。目前，市场上并没有专门针对智慧社区户外消防的智慧型消防机器人，这是一种全新的设计尝试，因此必须从主观和客观两个层面综合考虑产品设计的可行性。主观方面，产品设计的功能必须能够满足当前社会上确实存在需求，这样才能保证政府和市场持续加强人力、物力、财力的投入，将设计出来的产品进行实际生产；客观层面，设计中应使用已经成熟或是在可见的未来能够成熟的技术，这样所设计出来的产品才具有实际生产的可行性，而不是设计师天马行空的空想。要保证从主观和客观层面来看，研究产出的设计成果都将会是一款完全可以实现的产品。

5.2 智能化原则

智慧社区户外智能消防机器人应该足够智能化，可以无需人工操作自行进行消防工作，这样不但可以适应我国老龄化趋势下未来劳动力短缺的情况，减少人力成本，并且可以24 小时执行消防工作。户外智能消防机器人与未来智慧社区相对完善的监控检测系统实现智慧互联，可以针对消防安全情况进行全天候监测，对火情能做到早发现、早预防、早控制，并且可以及时向消防中心反馈消防信息，帮助智慧社区构建信息化的消防系统。完全自主进行消防工作的户外智能消防机器人，对于未来智慧社区的消防工作有着重要的意义。

5.3 人性化原则

户外智能消防机器人在造型上为了适应未来智慧社区的发展趋势，应该具备一定科技感和现代感，但是不能为了追求科技感而过于冷漠，忽略对社区居民的人性关怀。消防机器人主要负责智慧社区户外消防工作，不可避免会出现在居民的视线之内，所以在产品的外形设计上必须尽可能的人性化，照顾居民的心理感受。设计既要考虑到智能消防机器人的产品特性，在配色方面体现出消防应急的特点，同时也要考虑消防机器人作为社区户外消防产品的人性化需求，使人们看到消防机器人时不会产生过度的紧张感，寻求产品与使用者之间的一种和谐关系。综上，智能消防机器人的外观设计从产品语义学的角度，既能体现消防应急的产品特性，又能给人以安全感的心理暗示。

6 面向智慧社区的户外智能消防机器人设计策略

6.1 构建产品新的语义特征

首先向设计专家搜集面向智慧社区的户外智能消防机器人的感性意向，得到诸如现代的、灵活的、实用的、活泼的、耐用的、未来的、科技的、环保的、及时的、醒目的、积极的等意向，将其作为构建户外智能消防机器人语义造型特征的初步依据；其次将收集的产品感性意向转化为产品设计的形态要素，得到多种面向智慧社区的户外智能消防机器人的造型风格，再根据社区居民对产品的感性诉求，进行新语义的精确化筛选[8]。社区居民对智慧社区户外智能消防机器人的感性需求是希望其具有安全、可靠、自然、亲切等特点，希望产品能够更加自然地融入到居民的日常生活环境之中，并且能够给他们带来安全感。应综合设计专家和社区居民的感性意向，结合产品实际的功能需求，筛选出满足各项需求的具有新语义特征的产品造型。

6.2 优化产品尺寸与结构设计

户外智能消防机器人虽然是面向未来智慧社区户外消防工作而设计的，但是它的使用场景并不仅仅局限于智慧社区。户外智能消防机器人依赖于智慧社区完善的监控检测系统，来实现社区户外智能化消防的目的，所以也适用于未来拥有相对完善的监控检测系统的学校、公园、医院等场所。因此，设计中应收集和归纳多场景对产品提出的结构和尺寸方面的要求，然后结合产品功能需求，进行产品尺寸和结构的设计，增强户外智能消防机器人在多种场景下的普遍适用性。

6.3 引导用户参与以降低设计的主观性

在设计中可采用参与式设计模式，引导作为目标用户的社区居民，适度地参与到户外智能消防机器人设计的过程中来，形成设计师为主导、社区居民适度参与的设计模式。使设计师对产品进行整体的设计规划，同时社区居民在设计的过程中可适时提出自己的意见给设计师作参考。这种设计模式不仅要保证用户对整个设计流程有全面的了解，也要注意提高用户参与的积极性，让用户意识到自己不仅仅是意见的提供者，也是产品的设计者，从而有效减少设计师在设计过程中的主观性。

7 面向智慧社区的户外智能消防机器人设计实践

根据文章研究得到的功能需求、设计原则以及设计策略，进行设计实践，面向智慧社区的户外智能消防机器人效果见图1。其总高为1.6 米、总长1.4 米、总宽0.96 米，体型相对较小。机器人自身具备智慧操作系统，可自行进行灭火工作，在面对有毒气体泄露、火灾现场存在易爆物品等特殊情况时，消防机器人可代替消防人员进行消防工作。

图1 产品整体展示图

消防机器人机身前方的指示灯和车身侧边的红色反光条保证了夜间行驶的安全性；机身的保护壳对消防机器人有一定的保护作用，转轴处的三脚架设计，加强了喷头的稳定性；消防机器人采用双喷头设计，不仅提高了灭火效率，而且在一个喷头堵塞或是毁坏时，另一个也能够正常运作，见图2；喷头的外壳具有支撑与保护的作用，喷头内部具有一个脉冲式压力泵，可以根据火势大小来调节干粉的喷射速度；在产品配色方面，消防机器人以黑白配色为主，并以红色为点缀色。其中红色面积较少，在体现出产品消防特性的同时，不至于让人们看到时产生紧张感，体现出产品的人性关怀。

图2 喷头展示图

8 结语

文章以设计的视角对未来智慧社区的户外消防安全问题展开了深入的研究，并运用SET 分析法、访谈法等分析了用户需求，形成面向智慧社区的户外智能消防机器人设计策略，从而确定面向未来智慧社区的户外智能消防机器人的设计点，为未来智慧社区户外消防工作提供了这一种全新的方式。文章所设计的产品具有良好的功能性，能够全方位满足智慧社区的户外消防需求，同时也增强了产品与智慧社区的关联性。在智能化、人性化等方面，相较于传统的社区消防产品有显著的优化，从而加快了我国构建信息化消防系统、全面建设智慧社区的步伐。