空地跨域協同無人系統在群體活動監視與突發事件處置中的應用

張洺溪，關宏順，谷豐，何玉慶，張宏達，4

1.中國科學院沈陽自動化研究所

2.中國科學院機器人與智能制造創新研究院

3.沈陽市公安局皇姑分局

4.中國科學院大學

本文以無人系統跨域協同任務為主要研究內容，以大型群體活動為背景，首先圍繞目前國內外警用無人系統實際應用案例，分析其中存在的問題；其次，搭建一套由4種無人平臺、1個綜合指揮方艙組成的空地跨域協同無人系統；第三，針對一種群體活動監視與突發事件處置任務，詳述空地跨域協同無人系統的處理方案；最后，通過一次跨域協同任務演示，對該系統的創新點與未來發展進行闡述。

近年來，我國經濟水平快速增長，城鎮化率日攀新高，人口呈現高度集中的發展態勢。與此同時，全國各地大型群體活動的頻率、規模與層次均大幅提高，有效促進了我國經濟、文化和社會的發展。但是，大型群體活動往往具有組織臨時性、風險不確定性、后果嚴重性等特點，為風險管理與控制帶來了極大挑戰。現場綜合信息不詳細、指揮控制不及時、應急處置不當等問題都有可能導致大規模安全事故，對社會造成嚴重的負面影響。因此，開展大型群體活動監視與突發事件處置研究具有十分重要的意義。針對此類大型活動，公安部門如何提升安保能力、強化風險管理、確保活動絕對安全，也是須要研究的重要課題。

傳統安保方案往往存在場景信息匱乏、警力資源短缺、應急處置能力差等問題。而隨著科技不斷發展，公安部門利用智能無人平臺開展警務作業，可以有效提升安全防控能力與效率。

目前，已經有許多智能警用無人平臺執行警務任務的相關案例。美國貝爾公司為美國海岸警衛隊研發了一種新型傾轉旋翼無人機，并將其應用于海事執法任務。美國皮卡尤恩市警察局利用可快速部署的固定翼無人機，開展實時監視與社區警務作業，該機型具有隱蔽的對峙與偵察能力，降低了警員受傷的可能性。此外，美國杜蘭大學的學者針對交通超速問題，設計了警用機器人開展監測對比試驗，結果表明，使用警用機器人能有效降低車輛超速違法率。我國警用無人平臺的應用滯后于發達國家，但發展速度較快，如河北省張家口市公安局警務航空大隊利用四旋翼無人機，開展基于視頻偵查的警務應用，在活動安保、禁種鏟毒及嫌犯追捕等任務中發揮了積極作用；公安部第一研究所的學者利用警用無人車，幫助一線警務人員開展疫情防控，執行消殺、測溫與巡邏等任務，在應對突發公共衛生事件中發揮了重要作用；山東省公安廳交通管理局利用四旋翼無人機與移動目標跟蹤技術，對目標區域進行場景采集、動態目標跟蹤，提高了公安部門現場監視與指揮能力。

此外，還有許多探索性的研究，對警用無人平臺的未來應用場景和存在的問題、發展方向進行了理論層面的論證，并有待進一步開展實踐驗證。英國政府希望建立國家警用無人機機隊，以幫助警察開展日常警務和緊急行動。新疆警察學院的學者探討了警用無人機在空地立體化聯勤治安防控中的運用，并對應用可行性進行分析。針對高海拔地區的特殊地形，青海警官職業學院的學者探討了警用無人機進行偵查取證、打擊違法犯罪的應用價值，并分析了相關法律依據與后期建設方案。北京警察學院的學者分析了外國冬奧會安保工作面臨的風險，提出引入一系列智能無人平臺來協助我國2022年北京冬季奧林匹克運動會的安保工作。江蘇警官學院的學者進行了警用無人機航空三維戰術地形構建的探索研究，并論述數字化航空三維地形技術的難點與未來應用前景。鐵道警察學院的學者發現，當前鐵路警方勤務工作缺乏智能無人平臺的實際應用，并具體分析了未來鐵路警方利用警用無人機執行任務的需求。

由上述研究現狀可知，目前警用無人系統存在以下幾點問題：一是系統平臺組成單一，跨域協同任務能力欠缺；二是綜合場景信息缺乏，全局管控能力弱；三是突發事件的響應速度慢，應急處置能力有限；四是目前研究多停留在調研與論證階段，綜合跨域協同演習與實際應用案例較少。

針對大型群體活動安全防控的警務實際需求，本文充分考慮目前存在的問題，利用多種無人平臺、機器人裝備及相關協同化、智能化技術，構建了一種基于空地跨域協同無人系統的網絡化、體系化、智能化安保監視與應急處置方案，并在綜合場景下開展全流程任務演示。結果表明，在大型群體活動中，本文研究的系統能有效提升公安部門的安保監視與應急處置能力。

任務要求

本文以一次大型群體活動安全保衛任務為跨域協同無人系統的演示背景，旨在驗證如何利用包括警用無人機和警用無人車在內的警用無人系統，提升安保質量和效率。

主要任務要求

一次大型群體活動在遼寧省撫順市清原縣玉龍溪舉辦，要求當地公安干警負責活動安全保衛工作，對活動現場進行全程監視，并對突發事件進行快速、高效地處置。

任務場地

群體活動區域如圖1所示，固定式監視攝像機被布置在場地1、2、3號位點，用于監視該區域的人員和活動情況；A區域為主要活動場所，其中有各種攤位和人群活動；B區域為警用區域，其中部署了綜合指揮方艙、無人機起降場地、無人平臺維護場等。

圖1 任務場地部署圖。

系統構成

參與跨域協同任務演示的無人平臺與裝備的類型、數量及用途如表1所示。

表1 無人平臺與裝備概況表。

垂直起降固定翼無人機監視平臺

本次大范圍跨域協同任務采用RY-8SV垂直起降、電動固定翼無人機作為空中監視平臺。該機裝載了光電/紅外吊艙、測繪相機，采用模塊化設計和可折疊結構，具有體積小、拆裝迅速等特點，單人便能完成組裝及飛行操控。RY-8SV無人機具體技術數據如表2所示。

表2 RY-8SV無人機技術數據表。

測繪吊艙為三軸可見光、紅外和激光三光吊艙。該吊艙具有尺寸小、精度高、成像性能優異等特點，使用先進矢量伺服穩定技術，內置全姿態穩定算法，可實現運動環境下目標精準拍攝，并支持30倍光學變焦及1080P高清實時視頻流。

四旋翼無人機監視平臺

四旋翼無人機監視平臺“云雀”如圖2所示，使用了高氣動效率槳葉，軸距1485mm，機身采用一體化結構設計，機臂可快速拆卸，能快速部署至監控現場。“云雀”具備環境感知和自主避障能力，可全自主起降，按預設航線飛行。該機最大起飛重量25kg，任務載荷重量5kg，續航時間40min，抗風能力≥5級，最大飛行速度≥10m/s，工作環境溫度-20 ～40℃。

圖2 “云雀”無人機由中國科學院沈陽自動化研究所自主研制。

“云雀”無人機搭載三光吊艙，能構建面向大型群體活動的空中實時監視節點。在人群活動區域上空飛行時，該機可有效觀察人群活動動向，及時發現現場突發情況，并實時更新態勢。

四旋翼無人機空中跟蹤平臺

該機機體由碳纖維復合材料制成，整機重量輕，具有防火、防雨、防塵性能。機臂采用漸變撥插結構設計，便于更換和維護。連接件采用防松設計，免工具拆裝。動力系統采用冗余設計，提升了整機飛行安全性。飛行控制系統主要由導航計算機和飛行控制計算機組成，其中導航模塊采集當前磁感強度、GPS定位信息、加速度、姿態信息后，經濾波融合得到無人機導航信息；飛行控制計算機接收導航計算機發送的導航信息和地面控制系統的指令，根據任務需求確定無人機飛行狀態，并生成舵機控制指令，實現無人機穩定飛行及作業任務。其技術數據如表3所示。

表3 四旋翼無人機跟蹤平臺技術數據表。

圖3 四旋翼無人機跟蹤平臺。

該機機載跟蹤吊艙為微型可見光吊艙，采用快拆裝結構設計，便于快速更換任務載荷。該吊艙重量≤320g，極致輕小，支持航向360°旋轉，支持可見光10倍光學變焦。

基于YoloV5識別算法，該型無人機能實時定位目標車輛，并快速跟蹤急轉彎和急加減速狀態下的車輛，將跟蹤影像實時回傳綜合指揮方艙。

無人車地面監視平臺

地面監視平臺為全能型線控移動平臺，是一種模塊化通用型無人車。該車兼顧車體外形美觀和底盤性能，采用流線型設計，外殼使用了汽車級烤漆，整車看起來更加輕快，車翼和車尾的獨特造型讓整車頗具特色，符合現代美學設計。車體前后安裝有高亮前大燈和炫酷剎車燈，夜間運行更加炫酷。底盤采用和汽車一樣的阿克曼轉向設計，相對于其他結構的底盤，在負載，速度以及輪胎損耗等方面具有比較明顯的優勢。該車采用自動駕駛底層架構和整體橋式懸掛結構，四輪配備液壓減震器，在保證行駛平穩的同時行駛精度也得到保證。該車采用高能量密度電池、多傳感器融合、液壓碟剎加電磁抱閘等技術，具有精度高、負載大、模塊化、速度快等特點，是一種多場景應用的移動平臺。該車可快速進行二次開發，具有多重安全保護設計，可以讓用戶專注于其他模塊的開發測試，不必擔心底盤的控制運算。無人車相關技術數據如表4所示。

表4 無人車技術數據表。

圖4 無人車地面監視平臺。

綜合指揮方艙

該方艙是綜合信息處理系統功能實現和操作人員作業的保障，能夠有效隔絕濕度、溫度、電磁等外部環境因素對人員與設備的干擾。

（1）綜合信息處理系統的功能

綜合信息處理系統功能包括兩方面，一是系統通過自組網與各無人平臺雙向通信，監視并指揮各平臺；二是系統與公安對接系統互聯，接入公安信息系統，實現與總指揮員交互。

（2）綜合指揮方艙的主要任務

在本次演示過程中，方艙的主要任務包括：一是生成三維沙盤及多層次地圖，如可通過區域地圖、物性地圖等，同時獲取平臺回傳的實時遙測數據并顯示在三維沙盤上，有效提升區域管控能力；二是對多種無人平臺進行實時調度和任務規劃；三是顯示無人平臺傳回的實時影像，并對任務載荷進行控制，通過人機-移固聯合的方式提升公安部門現場管控能力；四是利用視覺算法自動識別人群中人員跌倒或人員異常行徑等行為，并最終發出聲光報警，達到提升處置效率的目的；五是通過輸入輸出設備實現人機聯合取證，并與公安部門信息網對接，提升異常事件取證與實時確認能力。

（3）綜合指揮方艙系統組成

①中央顯控平臺

該平臺是實現綜合信息處理系統功能的基礎設施，按功能分為三個席位：信息與智能席位、網絡與數據席位、感知與態勢席位。它支撐綜合信息處理系統軟件的交互，支持處置人員的所有相關操作，使用舒適、可靠。

②綜合信息處理系統軟件體系

該軟件體系主要實現綜合信息處理系統中所有算法計算、通信處理、數字化顯示、人機交互、決策支持等任務與功能。

③輔助設備

輔助設備包括地面供電設備、電源管理設備、局部網絡設備、人員工作環境管理設備。

在取材方面，主要使用中國傳統材料。房屋建筑中主要使用木構架作為材料，即建筑結構及建筑構件均采用木材，通過榫接等精湛的傳統工藝進行連接，從很小的木構架房屋到規模宏大的阿房宮木構架和連接工藝運用的淋漓盡致。

任務流程與結果

任務流程

圖5 綜合指揮方艙組成架構圖。

圖6 任務流程圖。

圖7 事前勘測生成的電子沙盤總覽圖。

圖8 自動生成的巡邏軌跡圖。

根據群體活動安保任務需求，本次演示共完成五個分場景的6種任務，即事前勘測、事中巡邏、應急處突（人員異常行為監測和處突取證）、嫌犯追蹤和山林抓捕。

（1）事前勘測

在群體活動區域，演示團隊利用空地兩型無人平臺，并結合場景拼接與三維重建技術對現場環境進行勘測。根據安保任務構建電子沙盤，對活動中的各種警力如警員和警用無人平臺進行調度。演示團隊采用智能技術，對現場地形的可通過性進行分析，并區分出無人車和人員可通過的路徑，為偵查、抓捕等任務規劃提供了快速有力的支持。

（2）事中巡邏

在活動舉辦過程中，綜合利用空地兩型平臺、現場固定式監視節點、綜合信息處理與指控系統的智能調度能力，對活動現場實施無死角或少死角監視。綜合信息系統首先根據操控員規劃的區域，自動生成無人平臺的巡邏軌跡，并發送給無人平臺，然后無人平臺按照預設軌跡開展自主監視和巡邏。

圖9 無人空中平臺和無人地面平臺聯合執行監視、巡邏任務。

（3）應急處突

應急處突包括人員異常行為監測與處突取證。在活動過程中，若現場出現老人跌倒，綜合指揮方艙感知與態勢席位能自動識別該異常行為，并發出告警，向指揮人員做出提示。指揮人員根據信息系統顯示的警員實時位置，調度最近的警員對老人進行救助，排除險情。

根據人員行走軌跡，如果視頻出現可疑人員，指揮方艙發出告警信號，提示方艙內指揮人員，指揮人員調度距離最近的警員前往查看，并發現嫌犯開始逃跑。在處置過程中，無人機抵近偵查，綜合指揮方艙發現可疑人員，并獲取其面部視頻信息后，與公安信息網相關數據進行對比，一旦確認其為在逃嫌犯，及時發出預警，提示公安部門派遣警力實施抓捕。

圖10 人群異常行為識別即跌倒識別。

圖11 人員行徑異常識別。

圖12 警員追蹤嫌犯的實時位置圖，綠色和黃色線條分別為警員運動軌跡。

圖13 方艙內監視席位顯示了駕車逃跑的嫌犯視頻，該視頻由無人機空中跟蹤平臺拍攝。

圖14 帶有非殺傷性裝置的無人車攔截嫌犯駕駛的車輛。

圖15 綜合指揮系統任務示意圖。

（5）山林抓捕

如果嫌犯開始駕車逃跑，無人機持續跟蹤并實時傳回嫌犯的影像和逃跑路線，當逃犯逃往附近山區，無人空中平臺和無人地面平臺聯合現場警員對相關區域進行實時監控，并對嫌犯實施抓捕。整個過程利用無人系統搭建山區臨時通信鏈路，保障抓捕過程指控順利、高效。

演示結果

利用空地無人平臺及其指揮控制系統，可以獲得監視區域的全動態信息和多樣化展現，為指揮決策、形勢研判和警力調度提供直觀和充分的信息依據。本次演示采用空地跨域協同無人系統5臺，完成了場地勘測、事中巡邏、嫌犯抓捕等一系列警用普適性任務。驗證了無人平臺及其相關技術執行公安任務的時效性和取證能力，為公安部門提供了新的技術和裝備。

結論

本次演示任務可能起到的作用包括三方面：信息獲取能力提升、應急處突能力提升、證據搜集能力提升。

在信息獲取方面，針對目前缺乏活動現場信息的高效獲取手段，建議利用無人空中平臺、無人地面平臺的全方位、多視角、跨尺度信息獲取能力，并結合智能化信息分析與融合技術，提升活動現場的管控能力。

在應急處突方面，針對目前缺乏突發事件的快速發現和快速處置手段，建議綜合利用移動式無人監視平臺和固定式監視設備，并輔以智能化信息處理技術和警力動態調度布置技術，提升突發事件的發現和處置能力。

在證據搜集方面，針對處置過程中可能存在的執法證據獲取能力不足問題，建議利用空中、地面平臺的現場數據采集能力，快速獲得第一手現場信息，避免關鍵證據滅失，提升執法威信力。

在本次跨域協同任務演練中，空地兩型無人系統完成了互聯、協作、集成應用，為各種無人系統用于大型群體活動安保監視提供了全新手段，也為相關技術在該領域的推廣提供了新思路。