視頻技術安防機器人關鍵技術與產業(yè)化前景
安防產業(yè)對維護公共安全具有極其重要的作用?！笆濉逼陂g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)技術陳舊，安裝繁雜，維護成本高；發(fā)生警情時不能及時進行現場處置，阻止犯罪和警情擴大作用有限。
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，巡檢工作不易實時監(jiān)督；防盜值班和在危險環(huán)境巡邏時人身安全風險高；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。
安防機器人能夠很好地彌補傳統(tǒng)技防和人防的不足。安防機器人與現有的安防監(jiān)控系統(tǒng)結合，將發(fā)展出動態(tài)安保服務運營體系，實現全方位、多參數智能監(jiān)控，同時具備抵近偵查和現場處置能力，大幅度提高處警能力。
安防機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試用。中國僅在變電站巡檢機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，為眾多進入者提供了均等的機會，優(yōu)勢企業(yè)的發(fā)展空間巨大。從市場需求上看，安防機器人具有廣闊的發(fā)展前景。根據我們初步的市場調研和分析，我國安保機器人的總需求量約為80萬臺，市場容量超過千億元。
技術市場國外占先發(fā)優(yōu)勢
目前國內外已經有數十家機器人和安防領域的企業(yè)陸續(xù)開展了安防機器人的產品研發(fā)和應用，其中美國具有明顯的技術和市場優(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25個系統(tǒng)100臺MDARS-I機器人，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度范圍內發(fā)現10米遠的物體，可以通過無線局域網絡與控制站的通信。機器人裝有入侵者探測用的微波雷達、熱成像儀、聲音傳感器、CCD攝像機、紅外照明器和旋轉及傾斜平臺，還有超聲波傳感器及導航傳感器等?？砂l(fā)現煙、火及入侵者，并可確定所存物品的狀況及位置，發(fā)現問題及時發(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巡邏機器人，該機器人具有自主巡邏、自動避障、全景視頻監(jiān)控系統(tǒng)、PTZ自動跟蹤拍攝、低噪音電機驅動等功能，目前已在迪拜運用。
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、物聯(lián)網技術、大數據技術，開發(fā)出可以在公共場所采集數據和執(zhí)行任務的安全警衛(wèi)機器人K5。該機器人已經佩戴警徽上路巡邏，按每小時收費6.25美元的租賃模式運營。2015年我國的安防企業(yè)東方網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。
日本Tmsuk機器人公司與Alacom安保公司合作，于2009年開發(fā)了T-34安保機器人。該機器人最高時速10公里，配備有探測裝置，可根據人體溫度和聲音偵察周圍情況，并將相應圖像實時地顯示于手機屏幕。用于商場、樓宇的安保巡邏，發(fā)現可疑人員后，它可在主人的遙控指揮下，朝可疑人員噴撒一張蜘蛛網式的大網。
國內發(fā)展迅速
我國在安防機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，已經得到一定規(guī)模的應用。
2002年，國家電網公司電力機器人技術實驗室在國家“863計劃”的支持下，研制出第一代變電站設備巡檢機器人。該機器人攜帶可見光攝像機和紅外熱像儀等傳感器，沿一條閉合磁軌跡單向巡視，能夠進行儀表讀數和發(fā)現監(jiān)測設備過熱等異?，F象。并于2010年研發(fā)出第四代巡檢機器人，系統(tǒng)性能和可靠性顯著提高。
浙江國自機器人公司開發(fā)的智能巡檢機器人具有類似功能，已經實現小批量銷售。沈陽新松機器人公司通過在其原有的AGV（自動引導小車）上安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，研制出智能巡檢機器人。
2006年6月，中國民航地面特種設備研究基地機器人研究所研制出安保巡邏機器人，并被評選為2006年度安防領域創(chuàng)新產品。該機器人可以實現自主環(huán)境探測、自主避障導航及自主充電功能，能夠按照工作人員的具體要求。在非人工干預的情況下自主完成固定線路巡邏、隨機線路巡邏及重點部位察看任務，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程傳輸與監(jiān)控，可檢測環(huán)境煙霧及火災情況并進行異常情況報警。
廣州尚云公司在2015年安博會期間推出了“守護神一號”智能巡邏機器人。
國防科技大學于2016年4月推出了“AnBot”智能安保服務機器人，該機器人集成了地圖同步構建及定位、動態(tài)路徑規(guī)劃、深度學習智能大腦、視頻智能分析等先進技術，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。并在機器人身上配備帶電防暴叉，終端操控人員可通過遠程遙控，對犯罪嫌疑人進行威懾或將其制服。
中國安防技術有限公司（CSST）是一家專業(yè)從事安全防范和平安城市建設運營的綜合型企業(yè)，于2012年開始與香港中文大學徐揚生院士的機器人研究團隊開展合作，面向安防領域研發(fā)了地面巡邏、水上巡邏、危險救援、替身等多種機器人。2015年底正式推出了兩款安防機器人產品，適用于室外的SPR系列安保巡邏機器人（圖1）和適用于室內的SSR系列安保服務機器人（圖2）。這兩款機器人集成了國內外安防機器人的多項優(yōu)點，并結合該公司長期從事安防業(yè)務的優(yōu)勢，在機器人的環(huán)境適應性、使用方便性、應用有效性方面突破了一系列的關鍵技術，目前已經實現了小批量銷售。
關鍵技術
安防機器人是一種專門應用于安保巡邏和服務的移動機器人，它除了需要解決移動機器人的關鍵共性技術外，還需要解決以下四個與安防應用目標和環(huán)境密切相關的關鍵核心技術。下面以SPR安保巡邏機器人和SSR安保服務機器人為基礎，對安防機器人的關鍵核心技術進行分析。
復雜環(huán)境下的低成本導航定位技術 目前移動機器人常用的導航定位方法主要有電磁循跡、衛(wèi)星導航定位、激光雷達導航定位、視覺導航等。其中電磁循跡法簡單可靠，但只能沿固定路線行駛，而且需要進行路面施工。衛(wèi)星導航定位方法具有不受天氣情況影響、使用簡單、可連續(xù)實時提供絕對位置信息等優(yōu)點，然而存在衛(wèi)星信號容易被遮擋而導致無法定位的問題。通過與慣性導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。激光掃描雷達具有定位精度高、受環(huán)境干擾小的優(yōu)點，能夠通過與地圖的匹配實現自主導航定位，但高精度激光掃描雷達價格昂貴。
利用圖像處理技術對機器人運動環(huán)境進行感知，從而判斷出機器人的位置和運行路線，是視覺導航技術的終極目標，但是該技術目前還處于研究階段。
通過以上分析我們看到，單一的導航定位方法很難滿足所有應用場合，因此我們發(fā)展了將多種導航定位方法融合到一起的全天候組合式導航定位系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)能夠根據應用場合的環(huán)境特點，結合用戶對導航精度、實施成本和可靠性等級要求，為安防機器人提供性價比最佳的導航定位方案。目前定位精度已經達到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證。
多通道高清圖像無線傳輸技術 視頻監(jiān)控是安防系統(tǒng)最重要的功能，一般安防機器人上都會安裝數字高清攝像機、紅外夜視攝像機和普通數字攝像機等多臺攝像機，并對多通道圖像進行壓縮、存儲和無線傳輸。
多通道高清圖像的壓縮和存儲技術已經在傳統(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鍵技術難點，尤其是在多臺安防機器人協(xié)同工作時。通過專用的WiFi通道能夠進行多圖像傳輸，但是在室外構建全面覆蓋巡邏路徑的WiFi節(jié)點工程量大，多節(jié)點切換配置復雜。利用無線通訊4G網絡無需另行構建無線通訊網絡，但是流量消耗巨大，運行成本高昂。采用雙向無線圖傳設備可以進行點對點的無線圖像傳輸，但是在多臺機器人同時運行時存在頻段有限、互相干擾的問題。
為了適應不同的無線通訊環(huán)境，我們構建了集成WiFi、4G和多頻段無線圖傳等多種無線通訊技術的多通道高清圖像無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據應用場合的無線通訊條件，選擇或建立合適的無線通訊方式，目前已經對單臺機器人實現了四路圖像信息的無線傳輸，并能夠為4臺SPR安保巡邏機器人協(xié)同運行提供條件。
智能識別與警情判斷技術智能識別和警情判斷是應用安防機器人的高級目標，與傳統(tǒng)的靜態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，安防機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遇。
智能識別以圖像識別技術 為基礎，并與聲音、振動、溫度、易燃易爆氣體傳感器進行信息融合，能夠通過智能推理進行安保狀態(tài)判別，實現安全預警。
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。利用數據庫中注冊的已有面紋編碼，與當前獲得的面紋編碼進行對比，發(fā)現匹配就實現了身份認證。異常行為識別主要是針對攝像機中獲得的含有人的運動圖像序列進行分析處理，包括運動檢測、特征提取與處理和識別分類三個階段。能在遠距離或低視頻質量下實現異常判斷，與人臉識別技術形成互補。根據身份認證和行為識別兩部分的結果評估安全預警系數，當該系數超過一定閥值時則馬上啟動安全預警程序。
安防機器人運營管理平臺 安防機器人運營管理平臺是實現安防機器人有效運行的軟件系統(tǒng)，主要包括視頻與傳感數據監(jiān)控、危險報警與安全預警、任務調度與運行狀態(tài)監(jiān)控、機器人遠程操控等功能模塊。
機器人運營管理平臺由接入層、服務層、應用層和展現層組成。接入層的任務是實現對各類機器人的信息對接，獲取機器人的實時信息和狀態(tài)，并實現對機器人的控制；服務層需實現各類后臺支撐服務，包括語音識別、視頻分發(fā)、報警流轉、任務調度等；應用層是基于業(yè)務管理的應用實現，包括現場的音視頻交互、報警信息的展現與處理、媒體信息的播放等；展現層為瀏覽器和手機的應用客戶端，基于不同終端實現相應的操作功能。
安防機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)展機遇，推動動靜結合的智能安保服務體系建設。國內外已經有一批安防和機器人企業(yè)開展了安防機器人的研發(fā)和應用，目前尚處于市場培育階段，但是市場潛力巨大。導航定位、圖像傳輸、智能識別和管理軟件是安防機器人需要重點解決的關鍵核心技術，攻克這些技術難關將為安防機器人的產業(yè)化掃清障礙。