視頻技術(shù)安防機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化前景
安防產(chǎn)業(yè)對維護(hù)公共安全具有極其重要的作用。“十二五”期間我國安防行業(yè)發(fā)展迅速，市場規(guī)模從2011年的2800億元增長到2015年的4900億元。
傳統(tǒng)的技防系統(tǒng)存在以下不足：視頻監(jiān)控系統(tǒng)均為固定安裝，存在死區(qū)，容易被破壞或躲避；傳統(tǒng)的巡更系統(tǒng)技術(shù)陳舊，安裝繁雜，維護(hù)成本高；發(fā)生警情時不能及時進(jìn)行現(xiàn)場處置，阻止犯罪和警情擴(kuò)大作用有限。
傳統(tǒng)的人防措施存在以下缺陷：思想麻痹、玩忽職守、監(jiān)守自盜等隱患，巡檢工作不易實(shí)時監(jiān)督；防盜值班和在危險環(huán)境巡邏時人身安全風(fēng)險高；保安人員招聘難、文化層次低、流動性大，帶來管理隱患。據(jù)統(tǒng)計，50%以上的危險品倉庫事故是由于人工管理疏漏造成的。
安防機(jī)器人能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)技防和人防的不足。安防機(jī)器人與現(xiàn)有的安防監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合，將發(fā)展出動態(tài)安保服務(wù)運(yùn)營體系，實(shí)現(xiàn)全方位、多參數(shù)智能監(jiān)控，同時具備抵近偵查和現(xiàn)場處置能力，大幅度提高處警能力。
安防機(jī)器人目前尚處于市場培育階段。2013年全球銷售額為2.2億人民幣，主要是小批量銷售和樣機(jī)試用。中國僅在變電站巡檢機(jī)器人方面形成了批量銷售。
從市場競爭上看，目前行業(yè)龍頭企業(yè)尚未形成，為眾多進(jìn)入者提供了均等的機(jī)會，優(yōu)勢企業(yè)的發(fā)展空間巨大。從市場需求上看，安防機(jī)器人具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)我們初步的市場調(diào)研和分析，我國安保機(jī)器人的總需求量約為80萬臺，市場容量超過千億元。
技術(shù)市場國外占先發(fā)優(yōu)勢
目前國內(nèi)外已經(jīng)有數(shù)十家機(jī)器人和安防領(lǐng)域的企業(yè)陸續(xù)開展了安防機(jī)器人的產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用，其中美國具有明顯的技術(shù)和市場優(yōu)勢。
早在1999年，美國的Cybermotion公司就與美國陸軍簽訂了一項為期7年的合同，生產(chǎn)25個系統(tǒng)100臺MDARS-I機(jī)器人，用于美國18個不同的軍用倉庫。MDARS-I的最低速度為3公里/時，一次充電可連續(xù)工作8小時，能夠在360度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)10米遠(yuǎn)的物體，可以通過無線局域網(wǎng)絡(luò)與控制站的通信。機(jī)器人裝有入侵者探測用的微波雷達(dá)、熱成像儀、聲音傳感器、CCD攝像機(jī)、紅外照明器和旋轉(zhuǎn)及傾斜平臺，還有超聲波傳感器及導(dǎo)航傳感器等。可發(fā)現(xiàn)煙、火及入侵者，并可確定所存物品的狀況及位置，發(fā)現(xiàn)問題及時發(fā)出警報。
美國舊金山的SMP公司與硅谷創(chuàng)新中心合作，開發(fā)了S5巡邏機(jī)器人，該機(jī)器人具有自主巡邏、自動避障、全景視頻監(jiān)控系統(tǒng)、PTZ自動跟蹤拍攝、低噪音電機(jī)驅(qū)動等功能，目前已在迪拜運(yùn)用。
成立于2013年4月的美國Knightscope公司通過融合音視頻、室外定位、避障等傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)出可以在公共場所采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行任務(wù)的安全警衛(wèi)機(jī)器人K5。該機(jī)器人已經(jīng)佩戴警徽上路巡邏，按每小時收費(fèi)6.25美元的租賃模式運(yùn)營。2015年我國的安防企業(yè)東方網(wǎng)力公司通過其香港子公司以500萬美元入股Knightscope公司，獲得5.98%股權(quán)。
日本Tmsuk機(jī)器人公司與Alacom安保公司合作，于2009年開發(fā)了T-34安保機(jī)器人。該機(jī)器人最高時速10公里，配備有探測裝置，可根據(jù)人體溫度和聲音偵察周圍情況，并將相應(yīng)圖像實(shí)時地顯示于手機(jī)屏幕。用于商場、樓宇的安保巡邏，發(fā)現(xiàn)可疑人員后，它可在主人的遙控指揮下，朝可疑人員噴撒一張蜘蛛網(wǎng)式的大網(wǎng)。
國內(nèi)發(fā)展迅速
我國在安防機(jī)器人方面的研究比國外起步略晚，但是在變電站巡檢方面發(fā)展迅速，已經(jīng)得到一定規(guī)模的應(yīng)用。
2002年，國家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在國家“863計劃”的支持下，研制出第一代變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人。該機(jī)器人攜帶可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀等傳感器，沿一條閉合磁軌跡單向巡視，能夠進(jìn)行儀表讀數(shù)和發(fā)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備過熱等異常現(xiàn)象。并于2010年研發(fā)出第四代巡檢機(jī)器人，系統(tǒng)性能和可靠性顯著提高。
浙江國自機(jī)器人公司開發(fā)的智能巡檢機(jī)器人具有類似功能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量銷售。沈陽新松機(jī)器人公司通過在其原有的AGV（自動引導(dǎo)小車）上安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，研制出智能巡檢機(jī)器人。
2006年6月，中國民航地面特種設(shè)備研究基地機(jī)器人研究所研制出安保巡邏機(jī)器人，并被評選為2006年度安防領(lǐng)域創(chuàng)新產(chǎn)品。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主環(huán)境探測、自主避障導(dǎo)航及自主充電功能，能夠按照工作人員的具體要求。在非人工干預(yù)的情況下自主完成固定線路巡邏、隨機(jī)線路巡邏及重點(diǎn)部位察看任務(wù)，具有全方位視覺的處理判斷能力，以及視覺及雙向語音信息的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控，可檢測環(huán)境煙霧及火災(zāi)情況并進(jìn)行異常情況報警。
廣州尚云公司在2015年安博會期間推出了“守護(hù)神一號”智能巡邏機(jī)器人。
國防科技大學(xué)于2016年4月推出了“AnBot”智能安保服務(wù)機(jī)器人，該機(jī)器人集成了地圖同步構(gòu)建及定位、動態(tài)路徑規(guī)劃、深度學(xué)習(xí)智能大腦、視頻智能分析等先進(jìn)技術(shù)，具有自主巡邏、智能監(jiān)控探測、聲光報警、身份識別、自主充電等多種功能。并在機(jī)器人身上配備帶電防暴叉，終端操控人員可通過遠(yuǎn)程遙控，對犯罪嫌疑人進(jìn)行威懾或?qū)⑵渲品?/p>
中國安防技術(shù)有限公司（CSST）是一家專業(yè)從事安全防范和平安城市建設(shè)運(yùn)營的綜合型企業(yè)，于2012年開始與香港中文大學(xué)徐揚(yáng)生院士的機(jī)器人研究團(tuán)隊開展合作，面向安防領(lǐng)域研發(fā)了地面巡邏、水上巡邏、危險救援、替身等多種機(jī)器人。2015年底正式推出了兩款安防機(jī)器人產(chǎn)品，適用于室外的SPR系列安保巡邏機(jī)器人（圖1）和適用于室內(nèi)的SSR系列安保服務(wù)機(jī)器人（圖2）。這兩款機(jī)器人集成了國內(nèi)外安防機(jī)器人的多項優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合該公司長期從事安防業(yè)務(wù)的優(yōu)勢，在機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性、使用方便性、應(yīng)用有效性方面突破了一系列的關(guān)鍵技術(shù)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量銷售。
關(guān)鍵技術(shù)
安防機(jī)器人是一種專門應(yīng)用于安保巡邏和服務(wù)的移動機(jī)器人，它除了需要解決移動機(jī)器人的關(guān)鍵共性技術(shù)外，還需要解決以下四個與安防應(yīng)用目標(biāo)和環(huán)境密切相關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)。下面以SPR安保巡邏機(jī)器人和SSR安保服務(wù)機(jī)器人為基礎(chǔ)，對安防機(jī)器人的關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行分析。
復(fù)雜環(huán)境下的低成本導(dǎo)航定位技術(shù) 目前移動機(jī)器人常用的導(dǎo)航定位方法主要有電磁循跡、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光雷達(dá)導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航等。其中電磁循跡法簡單可靠，但只能沿固定路線行駛，而且需要進(jìn)行路面施工。衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法具有不受天氣情況影響、使用簡單、可連續(xù)實(shí)時提供絕對位置信息等優(yōu)點(diǎn)，然而存在衛(wèi)星信號容易被遮擋而導(dǎo)致無法定位的問題。通過與慣性導(dǎo)航或航位推算方法融合，能夠跨越部分被遮擋區(qū)域，但由于累積誤差的存在不能長期連續(xù)使用。激光掃描雷達(dá)具有定位精度高、受環(huán)境干擾小的優(yōu)點(diǎn)，能夠通過與地圖的匹配實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航定位，但高精度激光掃描雷達(dá)價格昂貴。
利用圖像處理技術(shù)對機(jī)器人運(yùn)動環(huán)境進(jìn)行感知，從而判斷出機(jī)器人的位置和運(yùn)行路線，是視覺導(dǎo)航技術(shù)的終極目標(biāo)，但是該技術(shù)目前還處于研究階段。
通過以上分析我們看到，單一的導(dǎo)航定位方法很難滿足所有應(yīng)用場合，因此我們發(fā)展了將多種導(dǎo)航定位方法融合到一起的全天候組合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)能夠根據(jù)應(yīng)用場合的環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合用戶對導(dǎo)航精度、實(shí)施成本和可靠性等級要求，為安防機(jī)器人提供性價比最佳的導(dǎo)航定位方案。目前定位精度已經(jīng)達(dá)到2cm、0.5°，并在狹窄巷道、林蔭小道等衛(wèi)星信號幾乎完全被屏蔽的場合得到驗(yàn)證。
多通道高清圖像無線傳輸技術(shù) 視頻監(jiān)控是安防系統(tǒng)最重要的功能，一般安防機(jī)器人上都會安裝數(shù)字高清攝像機(jī)、紅外夜視攝像機(jī)和普通數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等多臺攝像機(jī)，并對多通道圖像進(jìn)行壓縮、存儲和無線傳輸。
多通道高清圖像的壓縮和存儲技術(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)的固定視頻監(jiān)控系統(tǒng)中得到解決，但多通道高清圖像的無線傳輸是目前面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，尤其是在多臺安防機(jī)器人協(xié)同工作時。通過專用的WiFi通道能夠進(jìn)行多圖像傳輸，但是在室外構(gòu)建全面覆蓋巡邏路徑的WiFi節(jié)點(diǎn)工程量大，多節(jié)點(diǎn)切換配置復(fù)雜。利用無線通訊4G網(wǎng)絡(luò)無需另行構(gòu)建無線通訊網(wǎng)絡(luò)，但是流量消耗巨大，運(yùn)行成本高昂。采用雙向無線圖傳設(shè)備可以進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的無線圖像傳輸，但是在多臺機(jī)器人同時運(yùn)行時存在頻段有限、互相干擾的問題。
為了適應(yīng)不同的無線通訊環(huán)境，我們構(gòu)建了集成WiFi、4G和多頻段無線圖傳等多種無線通訊技術(shù)的多通道高清圖像無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用場合的無線通訊條件，選擇或建立合適的無線通訊方式，目前已經(jīng)對單臺機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了四路圖像信息的無線傳輸，并能夠?yàn)?臺SPR安保巡邏機(jī)器人協(xié)同運(yùn)行提供條件。
智能識別與警情判斷技術(shù)智能識別和警情判斷是應(yīng)用安防機(jī)器人的高級目標(biāo)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，安防機(jī)器人所獲得的圖像背景是動態(tài)變化的，這給圖像處理帶來了較大的難度，但是由于安防機(jī)器人具有抵近偵察的條件，又給提高識別能力帶來了新的機(jī)遇。
智能識別以圖像識別技術(shù) 為基礎(chǔ)，并與聲音、振動、溫度、易燃易爆氣體傳感器進(jìn)行信息融合，能夠通過智能推理進(jìn)行安保狀態(tài)判別，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警。
攝像頭采集到監(jiān)控圖像后，如果存在人臉則從原始圖像中分理出面像，并建模抽象為面紋編碼。利用數(shù)據(jù)庫中注冊的已有面紋編碼，與當(dāng)前獲得的面紋編碼進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)匹配就實(shí)現(xiàn)了身份認(rèn)證。異常行為識別主要是針對攝像機(jī)中獲得的含有人的運(yùn)動圖像序列進(jìn)行分析處理，包括運(yùn)動檢測、特征提取與處理和識別分類三個階段。能在遠(yuǎn)距離或低視頻質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)異常判斷，與人臉識別技術(shù)形成互補(bǔ)。根據(jù)身份認(rèn)證和行為識別兩部分的結(jié)果評估安全預(yù)警系數(shù)，當(dāng)該系數(shù)超過一定閥值時則馬上啟動安全預(yù)警程序。
安防機(jī)器人運(yùn)營管理平臺 安防機(jī)器人運(yùn)營管理平臺是實(shí)現(xiàn)安防機(jī)器人有效運(yùn)行的軟件系統(tǒng)，主要包括視頻與傳感數(shù)據(jù)監(jiān)控、危險報警與安全預(yù)警、任務(wù)調(diào)度與運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)器人遠(yuǎn)程操控等功能模塊。
機(jī)器人運(yùn)營管理平臺由接入層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層組成。接入層的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對各類機(jī)器人的信息對接，獲取機(jī)器人的實(shí)時信息和狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制；服務(wù)層需實(shí)現(xiàn)各類后臺支撐服務(wù)，包括語音識別、視頻分發(fā)、報警流轉(zhuǎn)、任務(wù)調(diào)度等；應(yīng)用層是基于業(yè)務(wù)管理的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，包括現(xiàn)場的音視頻交互、報警信息的展現(xiàn)與處理、媒體信息的播放等；展現(xiàn)層為瀏覽器和手機(jī)的應(yīng)用客戶端，基于不同終端實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作功能。
安防機(jī)器人具有抵近偵察和主動介入的能力，將給安防行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，推動動靜結(jié)合的智能安保服務(wù)體系建設(shè)。國內(nèi)外已經(jīng)有一批安防和機(jī)器人企業(yè)開展了安防機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用，目前尚處于市場培育階段，但是市場潛力巨大。導(dǎo)航定位、圖像傳輸、智能識別和管理軟件是安防機(jī)器人需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵核心技術(shù)，攻克這些技術(shù)難關(guān)將為安防機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化掃清障礙。