警犬生理與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)微型監(jiān)測裝備研究進(jìn)展綜述

劉 楊 李宇航 崔楷汶 沈玉慶 郭 捷 孟祥龍

一、警犬狀態(tài)監(jiān)測研究背景概述

隨著警犬技術(shù)的不斷發(fā)展，警犬作為國家安全機(jī)關(guān)重要的組成力量，逐漸在緝毒搜查、消防安全、刑事偵查以及各類安全保衛(wèi)工作中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。然而在日常訓(xùn)練和打擊犯罪過程中，警犬由于缺乏相應(yīng)的保護(hù)措施而容易受到傷病的困擾。目前對(duì)于警犬的日常監(jiān)測管理工作，主要采用人工輪崗檢查的工作制度，這種方式容易受到責(zé)任人輪崗輪訓(xùn)、臨時(shí)任務(wù)變動(dòng)等因素干擾，易造成因狀態(tài)監(jiān)測不足引起警犬疾病惡化的嚴(yán)重后果。此外，警犬的狀態(tài)監(jiān)測研究具有復(fù)雜多變性，傳統(tǒng)研究方法如組合測試、觀察測試、犬個(gè)體評(píng)分法以及品種模型專家評(píng)分法等人工觀測方式已經(jīng)無法滿足警犬狀態(tài)監(jiān)測的細(xì)致要求，需要對(duì)警犬狀態(tài)監(jiān)測展開由表象到深層次的研究探索。

為了突破僅憑警犬訓(xùn)導(dǎo)員或相關(guān)專家的主觀經(jīng)驗(yàn)、肉眼觀察判斷警犬狀態(tài)的限制，國內(nèi)外的不同研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并運(yùn)用不同的監(jiān)測儀器記錄警犬狀態(tài)及行為變化，包括對(duì)警犬的心電、呼吸、體溫、吠叫聲、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及地理位置的監(jiān)測，從生理監(jiān)測和行為監(jiān)測等方面突破了傳統(tǒng)人工方式帶來的誤差限制，提高了警犬執(zhí)行工作任務(wù)的可靠性。例如，針對(duì)警犬吠聲的監(jiān)測，可以有效辨別警犬在不同環(huán)境下的情緒變化，可以作為警犬自身健康狀態(tài)以及搜查工作效率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。針對(duì)警犬運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及地理位置的監(jiān)測，可以擴(kuò)大提升警犬與警務(wù)人員的工作配合范圍，在面對(duì)消防救災(zāi)、緝毒搜查以及人質(zhì)解救等復(fù)雜多變的工作環(huán)境時(shí)，可以克服空間、環(huán)境等限制因素，為現(xiàn)場工作的系統(tǒng)化指揮提供數(shù)據(jù)支撐，彌補(bǔ)警犬工作中人工監(jiān)測帶來的失誤與不足。

不可否認(rèn)，警犬由于具有嗅覺靈敏、運(yùn)動(dòng)靈活、作戰(zhàn)忠誠等特點(diǎn)，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下仍然具有機(jī)器裝備無法取代的地位。在未來信息化、智能化的作戰(zhàn)體系中，通過智能裝備監(jiān)測警犬狀態(tài)數(shù)據(jù)并反饋給警務(wù)人員作為執(zhí)行任務(wù)的參考依據(jù)，建立起“人防+物防+技防+犬防”的四位一體工作模式，對(duì)于推動(dòng)我國公共安全事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。

二、警犬生理狀況微型監(jiān)測裝備研究現(xiàn)狀

警犬的生理參量，是指警犬在正常生命活動(dòng)中的血壓、心電、心率、呼吸以及腦電等一系列指標(biāo)的數(shù)據(jù)反饋。就目前國內(nèi)外對(duì)警犬生理狀態(tài)監(jiān)測的研究來看，大多集中在警犬訓(xùn)練過程中生理狀態(tài)監(jiān)測以及疾病防控監(jiān)測中。

針對(duì)警犬在高溫、高強(qiáng)度訓(xùn)練下的脫水中暑現(xiàn)象，公安部南京警犬研究所開發(fā)了一種可穿戴式生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，由內(nèi)嵌在警犬背心中的采集終端和移動(dòng)監(jiān)測兩部分組成。該設(shè)備綜合監(jiān)測警犬的體溫、心率以及呼吸頻率等數(shù)據(jù)，并綜合內(nèi)置異常生理參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)測參數(shù)信息、診斷結(jié)果發(fā)送給使用后端監(jiān)測的警務(wù)人員，可為警犬的安全訓(xùn)練模式提供設(shè)計(jì)依據(jù)。富士康公司也推出了一款可以用于監(jiān)測警犬體溫、排遺物等狀況的掛件，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測警犬的健康狀態(tài)，并且將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器終端，警務(wù)人員可以登錄服務(wù)器網(wǎng)站查詢警犬的生理健康狀態(tài)。為進(jìn)一步輔助警務(wù)人員在訓(xùn)練過程中把控警犬的情緒變化，沈陽工業(yè)大學(xué)基于深度殘差網(wǎng)絡(luò)、分組重組殘差網(wǎng)絡(luò)的警犬情緒識(shí)別方法，建立了一種新型的警犬情緒識(shí)別算法，可用于警犬健康監(jiān)測設(shè)備中。警犬的搜爆訓(xùn)練是警犬技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，重慶市公安局開發(fā)了一種嗅覺定位訓(xùn)練器，該訓(xùn)練器由罐體和投食桿組成，通過對(duì)警犬嗅覺的監(jiān)測與調(diào)控，使得警犬具備快速識(shí)別氣味的分辨能力，進(jìn)一步提高警犬抵抗不同工作環(huán)境中氣味干擾的能力。北京市公安局通過核磁共振設(shè)備，對(duì)特定刺激下的警犬大腦進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)了清醒狀態(tài)下警犬大腦的高清核磁共振圖像的采集，為監(jiān)測分析警犬的腦電波信號(hào)提供了重要的技術(shù)支撐。公安部南昌警犬基地開發(fā)了一種新型的記錄警犬生理數(shù)據(jù)的設(shè)備，該設(shè)備通過使用心電監(jiān)測探頭、體溫監(jiān)測探頭等微型監(jiān)測設(shè)備，通過配套生理信號(hào)采集軟件解算后，可以全面監(jiān)測記錄警犬的心電、體溫、呼吸等數(shù)據(jù)。

三、警犬運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)微型監(jiān)測裝備研究現(xiàn)狀

警犬運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的研究多集中在警犬的動(dòng)作姿態(tài)以及地理定位等方面。目前對(duì)于警犬運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的識(shí)別技術(shù)一般采用兩類，一種是基于圖像采集識(shí)別，另一種是基于傳感器網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合數(shù)據(jù)融合算法解算識(shí)別。中國人民解放軍陸軍工程學(xué)院設(shè)計(jì)了一種全新的多傳感器警犬?dāng)?shù)據(jù)背心，一方面采用低功耗小型慣導(dǎo)單元、高度和壓力傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，可以識(shí)別警犬不同行為姿態(tài)，另一方面提出了基于四元數(shù)的新型濾波方式的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉算法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)警犬的姿態(tài)進(jìn)行重新建模實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比驗(yàn)證了該集成設(shè)備建立的真實(shí)可信姿態(tài)模型。中北大學(xué)信息與工程學(xué)院針對(duì)警犬為研究對(duì)象，基于LabWindows/CVI 設(shè)計(jì)了警犬狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取警犬的實(shí)時(shí)加速度、位置等信息，采用北斗短報(bào)文的方式回傳信息至監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)終端信息監(jiān)測、存儲(chǔ)和分析功能。西安中興新軟件責(zé)任有限公司設(shè)計(jì)了一種加入粗糙集的在線序列極限學(xué)習(xí)算法，可以用于區(qū)別難以明確劃分的警犬行為姿態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)了該方法在警犬動(dòng)態(tài)姿勢識(shí)別中的準(zhǔn)確性。

當(dāng)下，對(duì)于警犬地理位置的定位方法主要有超聲波定位、藍(lán)牙定位、WiFi 定位，超寬帶(UWB)定位等。青島信息科技大學(xué)針對(duì)緝毒犬訓(xùn)練過程中存在的安全問題，采用超寬帶(UWB)定位技術(shù)使傳輸信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)以極低的功率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳播，實(shí)現(xiàn)緝毒犬在工作過程中的高精度定位功能。中北大學(xué)針對(duì)警犬日常訓(xùn)練中監(jiān)測不足的問題，開發(fā)一種運(yùn)動(dòng)定位監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備包括北斗定位模型、加速度監(jiān)測模塊以及無線通信模塊等，通過基于LabWindows/CVI 的上位機(jī)終端，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)警犬的準(zhǔn)確定位功能。公安部南京警犬研究所通過引入無人機(jī)的方式，基于無人機(jī)傳回的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和高精度圖像，對(duì)警犬本身的位置和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

四、警犬生理與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)微型監(jiān)測裝備研究發(fā)展趨勢

目前，警犬生理與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)微型監(jiān)測裝備研究逐漸向小型輕量化、融合運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和健康監(jiān)測、新型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸以及柔性共形集成化發(fā)展。其中，相比于當(dāng)前的微型監(jiān)測設(shè)備，柔性集成監(jiān)測設(shè)備可以更好地實(shí)現(xiàn)與警犬生物組織的集成匹配，以提供更為良好的應(yīng)用舒適性。

最初可延展柔性電子器件的制備過程是通過預(yù)拉伸可延展柔性有機(jī)襯底，再將生長制備好的電子元器件和互聯(lián)導(dǎo)線轉(zhuǎn)印在已拉伸后的襯底上，釋放預(yù)應(yīng)變后，互聯(lián)導(dǎo)線就會(huì)出現(xiàn)屈曲，這樣制備出的屈曲互聯(lián)導(dǎo)線具有承受拉伸載荷的能力，從而實(shí)現(xiàn)器件的可拉伸性能。這種可拉伸性能能夠保證電子器件與警犬身體柔軟組織緊密結(jié)合，并可在警犬組織變形時(shí)正常工作。基于柔性連線力學(xué)設(shè)計(jì)，通過先進(jìn)的柔性電子制備工藝實(shí)現(xiàn)該監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、輕量化與柔性化。可以有效掌握警犬的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)路徑、速度曲線以及加速度曲線等數(shù)據(jù)。

但針對(duì)柔性器件在犬類應(yīng)用的問題仍然面臨一些亟待解決的問題：一是柔性電子器件能夠和人體皮膚實(shí)現(xiàn)緊密貼合，但是犬類身體覆蓋茂密的毛發(fā)，為一些需要緊密貼合的生理信號(hào)監(jiān)測提出了挑戰(zhàn)。二是相對(duì)于人類而言，警犬體型更小，運(yùn)動(dòng)幅度更大，需要監(jiān)測裝置盡可能輕型化與柔性化，以減小對(duì)警犬運(yùn)動(dòng)的影響。三是監(jiān)測器在集成與柔性化后，其探測精度與剛性器件是否有較大變化，是這種新型技術(shù)能否應(yīng)用的重要挑戰(zhàn)。