简介

机器人救援仿真介绍(一、 机器人救援的研究背景和意义 二、 发展历史 三、 系统简介)

简介

全称RoboCupRescue Simulation System，即救援机器人仿真平台。

机器人救援仿真介绍

一、 机器人救援的研究背景和意义

在人民生活水平不断提高、科技日新月异的时代，机器人将逐步走入人类的日常生活，与人类友好共处，是未来社会生活发展的必然趋势。多机器人系统技术不仅是智能机器人发展的前沿技术，也是引领人类未来生活新模式、培育机器人新产业革命的一种核心技术。

近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水、人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突和有毒物质、辐射性物质带来的危害，威胁着人们的安全，引起了广泛的关注。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高，但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分，不专业、不及时的救援活动造成很多不必要的人员伤亡。在一些危险性大的灾难中，如随时会引发爆炸的火灾现场；有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场；地震后存在易二次倒塌建筑物的现场；施救人员无法深入进行侦探或施救，人们迫切需要探知火灾现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入火灾现场等。此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够协助人们完成救援任务，而且可以代替相关人员执行搜救任务。

近年来，特别是“9.11”事件以后，世界上许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种反恐防爆机器人、灾难救援机器人等危险作业机器人用于灾难的防护和救援。在2005年6月份日本神户召开的IEEE安全、防卫、救援国际研讨会((IEEE SSRR'OS)上，将“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分” 定为会议的主旨。同时，由于救援机器人有着巨大的潜在应用背景和市场，国际上一些著名的公司和科研机构，如日本的Tmsuk公司、马萨诸塞州的福斯特-米勒公司、国际救援系统研究所、中日救援与安全机器人技术研究中心等也正在致力于救援机器人的研究与开发。

RoboCup机器人世界杯竞赛于2001年增加了机器人救援的专项比赛RoboCupRescue，为救援理论和技术提供研究的试验平台。RoboCup是一个为了促进人工智能、机器人技术等领域发展的国际合作计划，同时也是一个国际性的研究机构和教育性的组织，它的目的在于通过在一个宽广的能够进行分析和综合的领域规定一个权威的问题，鼓励和推动人工智能和机器人技术的发展。RoboCup由许多不同的技术组成：自治机器人的设计原理、多智能体的协作、策略的获取、实时的推理和机器人技术等。RoboCup技术一个重要的应用就是在大的灾难场地进行机器人的搜索和救援。

RoboCupRescue机器人救援仿真是是一个通过模拟现实生活中的城市灾难场景，用机器人进行救援的仿真系统，它是和应用领域结合十分密切的新兴工程，其主要目的是使救援智能体进行有效的分工协作，完成营救市民和灭火的任务，以最大限度地减小灾难带来的损失，进而在灾难救援这个重大的社会问题上促进研究和发展。

RoboCupRescue机器人救援仿真系统是用计算机对真实的城市灾难情况进行模拟，如在地震发生时的仿真模拟环境中：房屋，建筑物等都倒塌了；道路、轨道和其他一些公共交通设施都被毁坏了；基础的城市设施比如电力，下水道系统也都被毁坏了；通信设施和信息的传播被中断了，许多受害者被埋在倒塌的房屋下；地震引起的火灾开始很快的蔓延；救火队因为水的供应很紧张不能有效的救火；消防车要通过的道路和停车的空旷地都被倒塌的房屋碎片挡住了等场景。为了减小灾难带来的损失，参赛队伍需要开发一支强有力的救援智能体队伍，在仿真系统提供的灾难场景下进行有效的救援工作，并且尽快地营救受伤的民众，抢救人们的生命财产，把灾难的损失降低到最低限度。RoboCupRescue仿真是一个公开研究结果和源代码的工程。世界上任何地区的研究人员都可以参加这个工程，进行研究、娱乐、训练和互联网教育。这个工程在不同范围的各种可能的发展，将会使我们创造一个安全的社会，最终为人们实际的救援行动提供决策支持。

RoboCupRescue仿真联盟有两重目的：第一，它的目的在于研发开发仿真器以形成基本的仿真系统架构并模拟现实灾难环境。第二，致力于开发具有能够在灾难情形中承担主要角色能力的智能体和机器人。RoboCupRescue 仿真联盟分为Agent Simulation和Virtual Robots两个子项目：

(1) Agent Simulation

灾难救援是最重大的社会问题之一，其中涉及恶劣环境中的大量异构智能体。RoboCupRescue 项目的目的是促进灾难救援这个重大社会问题的研究与发展，并且在将来把包括多智能体团队协作、搜索和救援的机器人智能体、信息结构、个人数字秘书、标准的仿真器和决策支持系统、救援策略和机器人系统的评价基准等不同层次的领域，全部统一到一个综合的系统中来。

(2) Virtual Robots

Virtual Robots竞赛的宗旨是促进和鼓励RoboCupRescue实物组和RoboCupRescue 仿真智能体（Agent Simulation）竞赛之间各种算法技术的交流。Virtual Robots比赛的目的在于鼓励进行多机器人系统协作的研究，从事城市搜索和救援任务。机器人和传感器在比赛中的使用和实物机器人十分近似，搭建起了救援仿真机器人与救援实物机器人之间的桥梁，为创造未来数字化的国际机器人救援队提供了条件。目前的研究热点是human-robot交互、变化的自治性、传感器融合、建筑物地图绘制、以及分布式规划和学习等。

二、 发展历史

1995年1月17日发生在日本神户的特大地震，在这次地震中，6500多人伤亡，80000多座建筑物倒塌，直接或者间接影响到100万人口，直接经济损失达到了10多亿美元。在这次地震当中，房屋，建筑物和其他一些东西都倒塌了，道路、铁路和其他一些公共交通设施都被毁坏了，基础的城市设施如电力，下水道系统也都被毁坏了，许多受害者被埋在倒塌的房屋下，有大约300处的火灾报道，并且开始很快的蔓延，救火队不能有效的救火，一方面因为供水紧张，另一个重要的原因是停消防车的道路和空旷地被倒塌的房屋碎片挡住了。由于交通的阻塞和没有充足、准确的信息，救护和救援队花费了很长的时间才到达灾难的现场。从神户地震的教训中，引发了人们对救援机器人研究的关注和兴趣，认识到需要研发具有精力充沛的、动态的、智能的和灵活的救援智能体和机器人，并由此在RoboCup技术中引入了RoboCupRescue机器人救援项目的研究。

RoboCupRescue项目联盟作为比赛是一个对RoboCupRescue项目研究成果的国际性的评价，在2001年正式成为RoboCup下属的正式比赛项目，Virtual Robots竞赛第一次出现在2006年的德国不来梅RoboCup World Cup中。

RoboCup Rescue的研究主要是为了在灾难救援方面做出贡献。灾难救援是一个很严肃的社会问题，在复杂的不可预料的灾难环境中，多智能体的协调工作成为了研究重点。多智能体系统的研究是近二十年来研究的热门话题，RoboCup Rescue 的研究属于多智能体研究的一个领域，首先由日本提出。

从2000年开始，RoboCupRescue仿真项目开始建立，其比赛每年举办一次。国内关于这方面的研究起步比较晚，2006德国不来梅RoboCupRescue世界杯仿真组的比赛中，只有中南大学的CSU_YunLu队代表中国队参赛。关于这方面的研究，国内正逐步的兴起，2006年中国举办了公开赛，中南大学的CSU_YunLu获得了冠军。

历届比赛的参赛队伍和比赛成绩

在2001年的比赛中：有来自伊朗、印度、美国、日本等国家的11支队伍报名参赛，最终有7支队伍参加决赛。结果来自日本的YabAI (Takeshi Morimoto, The University of Electro-communications)获得了冠军，来自伊朗的Arian获得了亚军，来自美国和日本的Rescue-ISI-JAIST获得了第三名。

在2002年的比赛中：有来自澳大利亚、美国、伊朗、日本、土耳其等国家的15支队伍参加比赛。最终来自伊朗的Arian获得了冠军，YowAI2002获得了亚军，NITrescue02获得了第三名。

在2003年的比赛中：有来自伊朗、荷兰、德国、日本等国家的30支队伍报名参加比赛，最终20支队伍参加决赛。结果来自伊朗的S.O.S获得了冠军，来自伊朗的Eternity获得了亚军，来自新西兰的The Black Sheep获得了第三名。

在2004年的比赛中：有来自伊朗、加拿大、土耳其、美国、日本等国家的17支队伍参加决赛。结果来自伊朗的Bam获得了冠军，来自伊朗的Caspian获得了亚军，来自加拿大的DAMAS-Rescue获得了第三名。

在2005年的比赛中：有来自日本、伊朗、葡萄牙、土耳其等国家的21支队伍参加了决赛，结果来自伊朗的Impossibles获得了冠军，来自伊朗的Caspian获得了亚军，来自印度的Kshitij获得了第三名。

在2006年的比赛中：有来自中国、德国、美国、日本、伊朗等国家的42支队伍报名参加了Agent的比赛，最终20支队伍参加决赛，结果来自伊朗的Poseidon获得了冠军，来自伊朗的IUST获得了亚军，来自伊朗的SBCe_Saviour获得了第三名。有来自美国、德国、巴西等国家的8支队伍参加了Virtual Robots的比赛，结果来自德国的RescueRobots Freiburg获得了冠军。

在2007年的比赛中：有来自中国、日本、土耳其、伊朗、印度、美国、巴西等国家的30支队伍报名参加了Agents的比赛，最终16支队伍进入决赛，结果来自伊朗的MRL获得了冠军，来自伊朗的Impossibles获得了亚军，来自中国的TsinghuaAeolus获得了第三名。来自美国、德国、伊朗、巴西等国家的20支队伍参加了Virtual Robots的比赛，结果来自美国的Steel获得了冠军，来自德国的Jacobs Virtual Rescue Team获得了亚军，来自意大利的SPQR Virtual获得了第三名。

三、 系统简介

1. Agents竞赛

在RoboCupRescue仿真系统中，包括地图以及救援智能体。地图作为智能体执行救援任务的平台，通常是实际城市的模拟，包括有建筑物、道路、河流、路口等。当灾难如地震、火灾发生时，会引起房屋倒塌，道路阻塞，建筑物着火，以及市民受伤、无法逃生等。于是，需要救援智能体进行市民营救以及灭火的任务。救援智能体一般由30-40个智能体组成，这些智能体包含有六种类型，分别是警察－负责清除路障、救护队员－负责营救市民、消防队员－负责灭火，警察局、救护中心、和消防中心，这三类中心则主要任务是接收和发送消息，及指导所属智能体的行为。

机器人救援仿真系统是一个实时的分布式仿真系统，它是由几个模块通过网络连接组成，如图1。每个不同的模块可以在不同的计算机上作为一个独立的程序运行，所以计算任务可以分散到许多台计算机上。每一个灾难现场都是同专门的子模拟器仿真出来的，如倒塌的建筑物和蔓延的大火，警察、救护队和消防队扮演不同的独立的机器人救援智能体，地理信息系统提供灾难现场最初的条件，并且监视灾难地的环境，内核负责各模块和仿真器之间的通信。

2. Virtual Robots

Virtual Robots 是由一个操作员负责启动、驾驭、停止机器人的一个仿真系统。机器人可以包含编/译码器、GPS、摄像头、触动传感器等一系列传感器。机器人之间不允许直接交换信息，并且被要求使用无线通信服务器（WCS），在机器人的出发点会安装一个virtual基站，只有反馈给基站的信息（地图，伤员位置等）才有效。比赛时，机器人从给定位置进入一个未知的建筑物或场地进行探测，在移动的过程中通过传感器获取信息，如伤员的位置、道路的阻塞情况、房屋的构造等。操作人员根据机器人获得的信息把机器人探测的区域描绘成地图，包括伤员的定位，机器人路径等。