Ứng dụng công nghệ cảm biến, robot trong công tác PCCC và CNCH

1. Đặt vấn đề

1.1. Cảm biến và ứng dụng trong thực tế

Công nghệ cảm biến là công nghệ điện tử dùng để cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện, để thu thập thông tin (dưới dạng những tham số định tính hoặc định lượng) nhằm phục vụ các yêu cầu cụ thể của con người, trong nghiên cứu khoa học, truyền và xử lý thông tin, đo lường.

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò (Test probe) hoặc có thể kèm theo các mạch điện tử hỗ trợ .

Trong thời đại của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay, công nghệ cảm biến không chỉ đa dạng và phong phú về chủng loại mà ngày càng hoàn thiện với chất lượng thông tin có độ chính xác cao, như cảm biến nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm, tần số và được ứng dụng rộng rãi cả trong lĩnh vực quân sự và dân sinh như: bộ cảm biến hồng ngoại (camera hồng ngoại) lắp đặt trong hệ thống tên lửa, trên máy bay chiến đấu; cảm biến sona lắp cho các tàu ngầm, các đầu dò trong lĩnh vực y tế; trong công tác phòng cháy chữa cháy là các bộ cảm biến nhiệt, khói, ánh sáng dùng phát hiện điểm cháy.

Thực tế có rất nhiều loại, nhiều nhóm cảm biến khác nhau, song có thể chia ra các nhóm chính như: cảm biến vật lý là bộ cảm biến sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường; cảm biến hóa học là cảm biến về độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói và cảm biến sinh học là cảm biến đường glucose huyết, DNA/RNA, protein.

1.2. Robot và ứng dụng trong thực tế

Robot có lịch sử hình thành từ thế kỷ XVIII đến thế kỷ XIX ở Châu Âu, Nhật bản. Đến năm 1954, một robot có khả năng nhấc lên và đặt xuống các vật thể nhất định, được cấp bằng sáng chế tại Mỹ. Năm 1973, WABOT-1, robot hình người đầu tiên trên thế giới được phát triển tại Đại học Waseda, Nhật Bản. Năm 1969, Kawasaki Heavy Industries, Ltd ra mắt Kawasaki-Unimate 2000, một robot công nghiệp đầu tiên và trở nên phổ biến trong những năm 1980. Năm 1999, tại Nhật Bản robot AIBO được chế tạo giống chú chó nhỏ, được phát hành bởi Tập đoàn Sony. AIBO đã được tích hợp chương trình để học một cách máy móc từ trải nghiệm của chính nó và từ cách dạy của chủ nhân. AIBO có thể yêu cầu chủ nhân và chủ nhân có thể cảm nhận được “suy nghĩ” của robot. Năm 2000, robot ASIMO có thể bước đi thành thục bằng hai chân được Honda Motor Co cho ra mắt. ASIMO được trang bị công nghệ đi bộ linh hoạt thời gian thực thông minh, công nghệ này giúp cho ASIMO có thể thay đổi trọng tâm theo thời gian thực để phù hợp với các tính toán của những chuyển động tiếp theo. Nó di chuyển trơn tru bằng cách kiểm soát “thời điểm 0 - thời điểm cân bằng”. ASIMO sau đó có thể chạy vào năm 2004, và nhiều ASIMO đã có thể đồng bộ hóa hiệu quả các chuyển động của chúng qua một mạng liên kết vào năm 2007.

Việc Robot có khả năng làm việc với người đã được đưa vào sử dụng thực tế. Ví dụ đối với CR-35iA, một robot được sản xuất bởi FANUC Corp vào năm 2015 tại Nhật Bản có thể làm việc với người mà không cần hàng rào an toàn. Ngoài ra, NEXTAGE, được sản xuất bởi Kawada Robotics Corp vào năm 2011, có cấu trúc giống phần thân trên của con người, nó có thể thực hiện một số nhiệm vụ giống người thực hiện. Chính vì vậy, việc sử dụng robot đã được nhiều nước trên thế giới tập trung nghiên cứu phát triển và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau và ngày càng trở nên phổ biến như: phục vụ thám hiểm vũ trụ, thám hiểm đại dương, robot sử dụng trong lĩnh vực quân sự, trong dân sự như y tế, giao thông vận tải v.v…

Riêng trong lĩnh vực phòng cháy, chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ, Robot có tên gọi là Colossus, được thiết kế bởi công ty Shark Robotics của Pháp, đây là robot đã hỗ trợ dập tắt ngọn lửa và dọn dẹp các mảnh vỡ ở những khu vực nguy hiểm nhất. Đặc điểm của Robot này là khả năng chịu nhiệt rất cao và tầm phun nước lên đến 850 feet (khoảng 260 mét). Robot Colossus có thể di chuyển trên mọi địa hình, có thể đi lên xuống cầu thang, vượt qua những mảnh vụn để có thể khống chế đám cháy trong môi trường khắc nghiệt nhất. Ưu điểm lớn nhất của Colossus là có thể được điều khiển từ khoảng cách gần 305 mét và sử dụng cho nhiều nhiệm vụ khác nhau nhờ thiết kế linh hoạt. Cấu tạo của Colossus dài khoảng 1,6 mét, rộng 0,8 mét và cao 0,8 mét và có khả năng chống thấm nước, chịu nhiệt cao, di chuyển với tốc độ tối đa 3,5 km/h, có thể leo mọi địa hình và mang theo 544 kg, vừa có thể cứu người bị nạn, vừa có thể phun nước để dập tắt đám cháy.

Mặc dù vậy, do quá trình phát triển cũng như sự phong phú và đa dạng của các loại, tới nay chưa có một định nghĩa nào hoàn chỉnh về robot, song về cơ bản cho rằng Robot là một loại máy móc được điều khiển tự động, được lập trình sẵn, sử dụng vào những mục đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó. Cũng có thể được hiểu đơn giản hơn là, Robot là một loại máy có khả năng thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.

Như vậy, Robot chính là sự tích hợp của công nghệ điện tử, công nghệ thông tin và công nghệ cơ khí để tạo ra loại máy tự động thực hiện công việc theo lập trình. Công nghệ điện tử và công nghệ thông tin sẽ giúp Robot tự động thu thập, xử lý thông tin; nó gồm 3 bộ phận cơ bản: bộ cảm biến, bộ điều khiển và bộ chấp hành. Bộ cảm biến là bộ phận đầu tiên của robot, có nhiệm vụ nhận biết, thu thập thông tin từ môi trường xung quanh, đưa vào bộ điều khiển để xử lý (bộ vi xử lý) và xuất ra các lệnh thích hợp, quyết định hành vi của hệ thống.

Bộ phận điều khiển được coi là “bộ não” của robot (là bộ vi xử lý). Bộ phận này thường là các máy tính hay các bộ vi xử lý chuyên dụng được lập trình, kết hợp với bộ nhớ để thực hiện việc ghép nối đầu vào và đầu ra của hệ thống.

Bộ chấp hành làm nhiệm vụ, thực hiện các lệnh ra từ bộ điều khiển để tác động trở lại môi trường hoặc chính robot.

Ngày nay, với sự ra đời và phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) mặc dù đang có rất nhiều quan điểm trái chiều, song thực tế AI đã giúp robot ngày càng trở nên thông minh và linh hoạt hơn, thực tế không chỉ là robot công nghiệp mà nó được ứng dụng nhiều hơn trong thực tiễn cả trong lĩnh vực quân sự lẫn dân sinh như: y tế, giáo dục, giao thông vận tải, lĩnh vực phòng cháy chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ.

2. Ứng dụng công nghệ cảm biến, Robot trong công tác phòng cháy chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ.

2.1. Ứng dụng công nghệ cảm biến trong công tác phòng cháy chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ.

Như đã đề cập ở phần trên, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ nhất là công nghệ thông tin đã khiến công nghệ cảm biến, robot có những bước phát triển nhanh chóng vượt bậc với độ chính xác, độ bền ngày càng cao và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ việc ứng dụng trong thăm dò, nghiên cứu khoa học vũ trụ, đại dương, dưới lòng đất; lĩnh vực kỹ thuật quân sự, công nghiệp, đến các lĩnh vực phục vụ nhu cầu cuộc sống hàng ngày của con người.

Trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ ứng dụng của công nghệ cảm biến trong thiết kế hệ thống nhằm phát hiện sớm đám cháy thông qua bộ cảm biến nhiệt, khói, lửa (single) cảm nhận được sự thay đổi của các yếu tố môi trường và biến đổi sự thay đổi đó thành dạng tín hiệu điện. Khi các yếu tố này đạt đến 1 giá trị thích hợp đã được cài đặt sẵn thì sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện và truyền dẫn tới bộ phận mạch tín hiệu, đây là một mạch điện tử có nhiệm vụ khếch đại và truyền tín hiệu từ bộ phận cảm biến. Một hệ thống báo cháy tự động tiêu biểu sẽ 3 thành phần: Trung tâm báo cháy, thiết bị đầu vào và thiết bị đầu ra; trong đó thiết bị đầu vào chính là các bộ cảm biến (đầu báo) như: báo khói, báo nhiệt, báo lửa, báo gas. Hệ thống này hoạt động đơn giản, khi đầu báo cháy phát hiện và truyền dẫn tín hiệu điện đến bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm này sẽ phát ra tín hiệu cảnh báo giúp chúng ta biết được chính xác vị trí điểm cháy để có phương án dập tắt đám cháy sớm nhất và hiệu quả nhất.

2.2. Ứng dụng của Robot trong công tác chữa cháy và cứu nạn, cứu hộ

Robot được ứng dụng trong hệ thống cảnh báo cháy và chữa cháy cơ bản gồm 2 thành phần chính: trạm giám sát có khả năng quan sát, phân tích phát hiện có cháy trong một khoảng không gian nhất định. Trạm này sẽ thông báo đến cho con người thông qua Internet, SMS, gọi điện nếu xảy ra cháy và báo đến robot giám sát gần đó nhất để robot di chuyển đến không gian có lửa và thực hiện công việc chữa cháy. Robot giám sát là robot có được khả năng tương tự như một trạm giám sát lưu động, có thể điều khiển bằng tay hoặc chạy tự động theo hành trình cho trước. Robot được trang bị một bình chữa cháy CO2, có thể dập lửa ngay khi phát hiện hoặc khi có thông báo từ trạm giám sát cố định nào đó. Ngoài ra, robot có thể được điều khiển bằng tay để đi vào không gian cháy, nơi mà con người khó có thể tiếp cận tìm kiếm nạn nhân bị mắc kẹt trong đám cháy và chữa cháy. Robot hiện có thể hoạt động trên nhiều loại địa hình khác nhau. Trong khi di chuyển với việc trang bị các loại camera giám sát nêu trên, robot có khả năng liên tục quan sát xung quanh và phát hiện chính xác nguồn nhiệt, xác định sớm và chính xác điểm cháy và tự động phun liên tục CO2 hoặc chất chữa cháy hỗn hợp từ bình chữa cháy được trang bị sau lưng cho đến khi ngọn lửa bị dập tắt. Trong quá trình chữa cháy, robot sẽ gọi điện, nhắn tin liên tục tới những số điện thoại được cài đặt trước và gửi tọa độ GPS tới lực lượng cứu hỏa gần nhất nếu ngọn lửa vượt quá tầm kiểm soát. Ngoài ra, robot cũng có thể được điều khiển bằng tay để đi vào vùng có lửa, tìm kiếm nạn nhân bị mắc kẹt trong đám cháy, thông qua camera được gửi về máy tính bằng wifi.

* Một số Robot để ứng dụng trong thực tiễn công tác chữa cháy.

Robot Colossus ứng dụng chữa cháy ở Nhà thờ Đức Bà Paris tại Pháp, robot này phun nước ở gian giữa giáo đường, giúp hạ thấp nhiệt độ của căn phòng lắp đầy kính ở nhà thờ. Việc dập tắt đám cháy ở Nhà thờ Đức Bà Paris đặt ra một số thách thức lớn đối với chiến sỹ chữa cháy, bên trong nhà thờ rất khó dùng vòi phun nước, Colossus được thiết kế để vận hành trong điều kiện khắc nghiệt, trang bị một vòi chữa cháy và có thể vận chuyển các dụng cụ nặng vào môi trường nguy hiểm và phù hợp để chữa cháy ở nhà thờ. Robot này được chế tạo để giúp đưa người bị thương ra ngoài khỏi đám cháy.

Robot ROV (Remotely operated underwater vehicle) là robot dưới nước được điều khiển và cung cấp năng lượng từ trung tâm điều khiển (trên bờ, trên tàu mẹ) thông qua cáp dẫn. Dây cáp có nhiệm vụ cung cấp điện năng và các lệnh điều khiển cho robot và truyền tải dữ liệu thu nhận được từ các camera, ảnh sonar, các đầu dò...về trung tâm điều khiển. ROV có thể làm việc trong khoảng thời gian lâu dài dưới nước mà không phải thoát lên khỏi mặt nước để nạp thêm năng lượng. ROV đã được nghiên cứu phát triển để hỗ trợ và/hoặc thay thế con người làm việc ở những vùng nước sâu (dưới đáy đại dương), những vùng nước ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời gian dài dưới nước. Hiện nay, robot dưới nước được sử dụng nhiều trong quân sự, tìm kiếm cứu nạn cứu hộ, nghiên cứu biển và các ngành kỹ thuật. Trong ngành dầu khí, robot dưới nước được sử dụng để làm những công việc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu. Trong ngành viễn thông, robot dưới nước được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển, chôn cáp và kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự, robot dưới nước được sử dụng để gài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước. Robot dưới nước còn là các thiết bị quan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dưới đáy biển.

3. Xu hướng phát triển và ứng dụng

Xu hướng nghiên cứu ứng dụng của Robot sẽ được tiếp tục nghiên cứu phát triển để ngày một thông minh hơn, tạo cho robot có những đặc tính gần với sự thông minh của con người hơn, như robot có khả năng tự vẽ ra bản đồ 3D để có thể tự hoạt động trong môi trường không gian không được biết trước (không được thiết kế, lập trình trước) hoặc có thể chuyển đổi dữ liệu hình ảnh thành môi trường 3D. Tính năng này giúp robot có thể tự tìm kiếm, phát hiện và mang người mắc kẹt ra khỏi đám cháy. Robot cũng có khả năng (mang vác) được khối lượng lớn để có thể trang bị thêm nhiều loại bình chữa cháy khác nhau như bột khô, CO2, nước v.v… để dập những đám cháy từ những chất cháy khác nhau. Hướng tới Robot sẽ được chế tạo bởi những vật liệu mới để có cấu tạo nhỏ gọn, chắc chắn độ bền cao, có khả năng chịu nhiệt cao, dễ dàng xâm nhập vào những nơi có các yếu tố nguy hiểm, địa hình phức tạp để chữa cháy và đặc biệt là tìm kiếm người trong đám cháy.

Trước thực tế đó, để có thể phát huy được nội lực, tranh thủ các nguồn lực trong nước và nước ngoài nhằm ứng dụng mạnh mẽ các công nghệ này trong trong thực tiễn công tác PCCC và CNCH ở Việt Nam chúng ta cần phải quan tâm thực hiện một số nhiệm vụ cơ bản sau:

- Tạo ra hành lang pháp lý, cơ chế phù hợp nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp nhận và chuyển giao công nghệ cảm biến và Robot ứng dụng trong công tác PCCC và CNCH.

- Có chính sách khuyến khích nhằm thúc đẩy việc nghiên cứu sản xuất trong nước các thiết bị phương tiện PCCC và cứu nạn cứu hộ phục vụ công tác PCCC và CNCH, khi đó sẽ giúp cho chúng ta làm chủ được công nghệ đồng thời giảm thiểu những chi phí về vật chất cho việc mua các trang thiết bị phương tiện PCCC và CNCH, tranh thủ được nguồn lực từ xã hội cho công tác PCCC và CNCH.

- Tăng cường hợp tác quốc tế, tranh thủ sự hỗ trợ của các quốc gia tổ chức quốc tế trong việc nghiên cứu sản xuất các trang thiết bị PCCC và CNCH để phục vụ tốt hơn công tác PCCC và CNCH tại Việt Nam./.

Theo Thiếu tướng Nguyễn Tuấn Anh, Cục trưởng C07