警用机器人设计要求与应用需求分析

李婷婷 李剑 解丹 肖贵岗 骆聪聪

（1.公安部第一研究所，北京，100048；2.北京市公安局，北京，100740；3.北京中天锋安全防护技术有限公司，北京，100048）

0 引言

近年来，随着人工智能与机器人技术的快速发展，警用机器人也在公安领域逐渐走向实战。警用机器人作为协助或替代警务人员执勤执法的智能化装备，是促进公安业务快速升级、降低公安干警工作强度的一种有效手段。警用机器人的研究与应用在公安科技领域和公安实战中具有积极意义。

在各种类型的警用机器人中，巡逻、安保、服务等类型的机器人是近年研究应用的重点。其中，警用巡逻机器人按照设定的巡逻路线进行不间断巡查，发现周边可疑人员或车辆等威胁；警用安保机器人在治安卡口等关键点位执行过往人员身份信息、车辆信息等核验任务[1-2]；警用服务机器人在基层业务办理大厅向群众提供业务办理、咨询接待等服务。

但是，公安实战场景非常复杂，应用场景持续拓展、机器人的功能需求越来越高，当前的警用机器人在不少方面仍存在着一定的不足，在某些场景下还难以完全满足实战应用需求，这在一定程度上限制了警用机器人的广泛应用。针对这些问题，本文重点探讨警用巡逻、安保、服务机器人的本体设计、功能特性以及应用需求等内容，以期助力这三类警用机器人的研究应用。

1 警用机器人设计要求

警用机器人一般是由底盘搭载功能上装模块组成，按应用场景需求定制集成不同软硬件功能模块。

1.1 底盘选型

1.1.1 底盘类型

对于相对平整的地面，警用巡逻机器人可选用大直径两轮差速、四轮差速底盘，可不配悬挂系统；对于相对复杂的路面，选用四轮阿克曼、四轮全向或履带式底盘较佳，轮式底盘必须配备悬挂系统。

警用安保机器人可选用两轮或四轮底盘，差速转向或轻型全动转向方式。

警用服务机器人可采用小直径轮式底盘或双足机构，轮式底盘选用差速转向方式。

警用机器人底盘类型如表1所示。

表1 警用机器人底盘类型

1.1.2 底盘运动控制与执行

警用机器人底盘的精确运动、避障绕障的核心控制由控制主板及各种环境感知传感器组成的闭环系统完成。设计时满足以下要求：

1）地图建立及环境感知通过激光雷达、视觉、GPS或惯导等传感器信息实现，可通过多传感器信息融合方法保证定位稳定和行走的可靠性；

2）如应用场景参照物多变，可采用多线激光雷达，降低环境变化对导航准确性的影响；

3）如应用在坑洼路面或台阶路面，可采用斜置单线激光雷达或距离传感器方案，以提前预知路面情况做出相应反应；

4）避障、绕障机制应灵活且参数可调，以应对不同环境情况。

运动执行部分包括电机、驱动器、减速装置等，一般应用成套方案，可按需求选择电机、伺服传动方案以及相应功率参数等。

1.2 上装模块

警用机器人的上装模块用于应用功能的实现，可根据应用场景、工作需要选用不同模块形成组合方案。常用的上装模块包括以下几种。

1）监控模块：高清摄像机用于机器人实时视频呈现、视频录像及人像抓拍。推荐搭载云台实现360°旋转，可选高低伸缩设计调节摄像机高度，实现更大范围监控；全向相机一般由多个摄像机四向布置构成，用于全向视频的采集及记录。

2）人脸识别模块：将摄像机采集的人脸图片与模块内置人像库进行比对，识别人员身份信息。

3）红外热成像仪：测量感应物体的温度并形成红外热图像，用于异常热源、藏匿人员或流浪生物探测。

4）红外测温模块：测量人体的温度，一旦监测到体温超标的目标自动报警并抓拍，用于大面积快速排查人群中的体温异常人员。

5）语音模块：全向拾音器，360°全向监听现场声音；功放模块，实现音量放大功能，为语音播报和远程对讲提供服务。

6）证卡识别模块：通过读卡器读取有效身份证件或工作证件等专用证件信息。

7）触摸显示模块：触摸显示屏，提供信息显示、人机交互服务。

8）环境感知模块：通过温湿度传感器感知周围空气温湿度数据；根据需求选用气体传感器，监测空气质量，探测有害气体等。

9）灯光模块：照明灯、警灯、示廓灯等，实现夜间黑暗环境照明和警示功能。

10）其他模块：因特定工作需要，如采集人员身份、生物特征、电子设备信息的功能模块。

1.3 外形及主体结构

警用机器人的外形及主体设计须以实战需求为导向，坚持需求、外观和功能协调统一的原则，具备科技形象和公安威严的双重特征，适用于安保、巡逻、服务等应用场景。按照实战应用需求，结合公安装备外观元素，提出以下三种设计需求。

1.3.1 警用巡逻机器人

警用巡逻机器人主要应用于重点区域周界防护、日常执勤等应用场景，完成昼夜巡逻与安全防范工作。其应用场景地形较为复杂，常有路面凹凸不平、坡度较大或存在小台阶等情况，要求机器人具备更好的越障能力、地形适应能力以及更高的行走效率[3]。针对以上需求，其主体结构可参考警车或特种警用车辆，外形设计凸显威严、硬朗、安全、稳定等特性，结合警用蓝黄配色元素，并配以警灯和警徽。

1.3.2 警用安保机器人

警用安保机器人主要应用于卡口、道口等关键点位执行日常安保任务，开展人员信息与车辆信息核验、秩序疏导等工作。其应用场景地形较为平整，适合在人群中定点或小范围巡逻，具有机动灵活、安全性高等优良特性。安保机器人主体结构可设计为移动底盘搭载类人型上身，外形设计凸显庄严、智能、安全等特性，结合警用蓝黄配色元素，并配以警灯（可选）和警徽。

1.3.3 警用服务机器人

警用服务机器人主要应用于警务服务大厅、办公场所等场景，提供业务咨询、接待引导等服务[4]。由于此类机器人的工作场景为室内，服务对象为群众，运动能力要求相对较低，但是需要具有良好的交互能力、可靠性及稳定性。服务机器人主体结构设计可参考警务人员形象，外形设计凸显亲和、智能、灵活等特性，可结合警服元素。

图1 警用巡逻机器人

图2 警用安保机器人

图3 警用服务机器人

2 警用机器人功能及特性要求

警用机器人功能及特性需求包括警用机器人应用功能要求、安全性要求、环境适应性要求、可靠性要求、保障性要求、维修性要求以及测试性要求。

2.1 应用功能性要求

2.1.1 视频同步回传

警用机器人搭载多路摄像头采集周边视频，经通信链路传至控制平台，实现实时视频监控，具备视频点播上拉等功能。

2.1.2 异常情况报警

警用机器人采集视频后传至控制平台，系统通过对视频进行结构化分析，可发现人员异常行为或人群异常聚集等情况，此时触发闭环报警处置机制，将报警信息推送至移动终端平台。

2.1.3 重点管控人车识别

警用机器人通过人脸抓拍、车牌识别技术采集人脸图像与车牌信息，由通信链路传至控制平台，并与重点管控人员人像库进行比对核验，若比对成功则触发闭环报警处置机制，将报警信息推送至一线。

2.1.4 异常体温筛查

警用机器人通过红外测温检测人员体温，当发现体温超过设定阈值的人员时，触发报警处置机制，立即向后台与移动终端平台发送报警信息及抓拍图像。

2.1.5 夜间警戒

警用机器人夜间自主巡逻，通过红外检测发现异常事件（温度超着火点）、异常人员（隔离区域）后触发报警，并将情况推送给附近警员。

2.1.6 服务群众

警用机器人利用人机交互技术向群众提供信息咨询、业务办理，接待引导等业务。

2.1.7 维护治安与疏导人群

警用机器人通过自主巡逻功能进行无人化巡逻，并通过声光警示，维持人群秩序。

2.2 环境适应性要求

2.2.1 路面要求

警用巡逻机器人要求能够在路面凹凸不平、坡度不超过10°或存在小台阶等较复杂路面正常行走；警用安保机器人要求能够在较为平整、坡度不超过5°、没有台阶的路面正常行走，参照环境相对固定；警用服务机器人在室内平整路面条件下行走。

2.2.2 环境温湿度要求

警用机器人具备一定防水、防尘功能。其在室外应用时，可在-20℃～55℃的温度以及5%～95%（非冷凝）的湿度环境下正常工作；在室内应用时，可在-5℃～45℃的温度以及不大于90%（非冷凝）的湿度环境下正常工作。

2.3 安全性要求

2.3.1 行走安全

警用机器人行走过程中应具备多级安全防护机制。首先，通过激光、红外等传感器使机器人能够自主感知环境危险，采取避让措施，防止撞伤行人或物体；其次，机器人自身可进行物理防护，触碰到障碍物时能及时停止；再次，机器人行走出现异常时可通过急停按钮人工停止机器人运动，保证其行走安全。

2.3.2 运行安全

警用机器人运行过程中应具备自我保护功能，如遇挟持、控制等情况可进入绝对休眠状态，并向后台发出报警；如遇恶意破坏，可发出报警并记录音像信息。

2.3.3 数据安全

警用机器人应通过定期备份数据、异地备份方法避免因特殊情况导致数据丢失；数据导出要加密，内部接口通过安全机制设计，保证接口服务不被非法使用。通信模块采用公安认证的加密通信模块，数据传输全程加密。

2.3.4 电气安全

警用机器人应具备充电保护机制，防止电池过充，以保证机器人充电过程中的安全。机器人内部应具备用电异常检测与保护机制，可有效防止电流过大、温度过高等危险情况，以保证机器人应用过程的安全。

2.4 可靠性要求

2.4.1 运行可靠性

警用机器人应融合应用多种定位导航方式与路径规划算法，确保机器人按规划路径连续无故障运行，避免出现位置丢失、跑偏现象。

2.4.2 系统可靠性

警用机器人在系统设计和设备选型时，应充分考虑硬件设备、系统软件、应用软件和网络等各方面的可靠性。系统应具有相对的独立性，局部问题不会影响系统的正常进行。

2.4.3 数据可靠性

警用机器人工作过程中需要通过多重冗余和备份手段来增加系统的可靠性，采用机器人本体、平台数据定时备份、异地备份等手段。

2.5 保障性、维修性与测试性要求

警用机器人应用时保证有电源可充电，有备用电池可及时更换。对使用人员进行系统化培训，并提供使用说明书，便于使用人员独立完成日常运行保障工作。

警用机器人采用模块化设计，零件优先选择易获得的通用型号。通过对故障模块进行维修、更换，降低维修成本，减少维修时间。

警用机器人能够在出现故障时，对机内系统进行一定的自动诊断、测试工作；警用机器人可利用通用/专用测试设备，采用人工测试的方法，进行故障诊断和隔离。

3 警用机器人实战应用需求

基于当前警务环境状况及警用机器人的实战功能特点，提出以下四方面实战应用需求。

3.1 重点区域昼夜巡逻

重点区域包含政府驻地、要害部门、会议场馆和政务广场等，对安保工作的要求极为严格。其现有安保方案较为成熟，采用人力巡查和视频监控结合的工作机制，但会受人力和硬件条件所限。

针对这一应用场景，利用警用机器人机动灵活的特性和视频监控、红外探测、人脸识别、巡逻警示等功能，进行移动监控布设和不间断昼夜巡逻，可在有条件的区域实现完全自主化的无人值守效果，形成更加立体、更加完善的安防体系[5]。

3.2 重点人车识别核验

3.2.1 治安卡口

治安卡口作为治安防控的重要阵地，在预防、控制、打击各类违法犯罪以及加强社会治安管理过程中发挥着十分重要的作用。各地方在治安卡口建设、软硬件配备以及人员配备和装备投入方面做了很多工作，但当前的治安卡口需要人员全天候24小时工作、能够快速处理可疑事件，对此需要投入大量警力。

在治安卡口内，警用机器人通过对过往的人员、车辆进行人脸、车牌比对，能够对可疑人员及可疑车辆进行快速筛查，有利于减轻工作人员的劳动强度、提高工作效率。

3.2.2 社区商圈

在社区商圈的安防体系中，主要依靠“人防”和“技防”。“人防”依靠保安物业，但这个群体非常不稳定，人员流失率高。“技防”目前最主要的方法是安装固定监控摄像头，若与高机动性的警用机器人组合应用，可达到更加全面的监控识别效果。

警用机器人进入社区商圈，可通过全方位视频监控、智能决策实现人脸识别、车牌识别、异常情况分析，发挥人员核验、安全防范作用，提升现有的安防理念。

3.3 基层窗口交互服务

随着“智慧警务”工作的不断推进，公安机关纷纷开展互联网+公安业务的大融合，实现从“汗水警务”向“智慧警务”的转型升级，实现基层警务智能化。

警用机器人以其智能化的优势，可将多种自助服务机的功能集于一身，如网证发放、业务自助查询、自助办理等，省去繁琐操作的不便，还能够为群众提供更加人性化的服务，如公安业务问答、窗口指引等，帮助群众了解业务办理流程及方法，为群众提供快速、高效的基层业务服务，解决警员工作量大、响应速度慢等问题。

3.4 疫情期间协助防控

2020年爆发的由新型冠状病毒引起的全球性肺炎疫情，为人民的生命安全与社会的正常运转带来了严重危害。鉴于疫情多呈发热症状，各省市均加强了对公共场所流动人员的体温筛查工作，主要采用人工测温方式，人员工作量大、感染风险高。

针对上述情况，使用可灵活布控、稳定运行的警用机器人，在公共场所出入口处发挥大面积非接触式体温筛查、语音提示播报、视频监控与人脸识别功能，可协助一线工作人员在危险、高强度的工作环境中完成疫情排查、防控任务，降低工作人员劳动强度与感染风险。

4 结语

警用机器人作为立体化治安防控的装备载体，是现代警务模式转变的切入点，是提高警察战力的新生力量，是科技强警的具体表现。后续，公安科技的快速发展和警用机器人的迭代升级，警用机器人的应用前景也将更为广阔。