安保机器人技术发展与应用前景

文:梅涛,杨春丽,陈剑,陈宏炬,李雁晖2017年第三期

    安全防范是面向社会、企业、家庭和个人预防和制止盗窃、抢劫、爆炸、火灾等安全事件的活动,安保产业对于维护公共安全具有极其重要的作用。

    “十二五”期间我国安保行业发展迅速,市场规模从2011年的2800亿元增长到2016年的5400亿元。以视频监控、入侵报警为核心的“技防”系统已经遍布大街小巷,现有安保企业3万多家,为平安城市建设作出了重要贡献。以保安站岗、巡逻为特征的“人防”手段已经进入各个小区、厂区和园区,现有450多万保安员,是看家护院的主力军。

    然而,传统的技防系统存在以下不足:1、视频监控系统均为固定安装,存在死区,容易被破坏或躲避;2、传统的巡更系统技术陈旧,安装繁杂,维护成本高;3、发生警情时不能及时进行现场处置,阻止犯罪和警情扩大作用有限。传统的人防措施存在以下缺陷:1、存在思想麻痹、玩忽职守、监守自盗等隐患,巡检工作不易实时监督;2、防盗值班和在危险环境巡逻时人身安全风险高;3、保安人员招聘难、文化层次低、流动性大,带来管理隐患。据统计,50%以上的危险品仓库事故是由于人工管理疏漏造成的[1]。

    另一方面我国内地的警力严重不足,目前仅占人口比例的0.12%,而发达国家警察占人口0.3%,香港则达到0.4%,警力不足无疑已成我国基层公安队伍的一个共同特点。因此大量聘用协警已经成为常态,目前约有150万名协警,与警察数量相当。其中相当数量的协警布局在路面巡防,如苏州市的协警60%在路面巡防。协警的待遇差,流动性极大,有的县年流动率高达20-30%。

    因此需要发展新的技术手段来弥补传统技防和人防的不足。以移动机器人为平台,搭载安全监控设备和现场警示与处置装置,与现有的安保监控系统结合能够发展出基于安保机器人的动态安保服务运营体系。从而实现全方位、多参数智能监控,同时具备抵近侦查和现场处置能力,大幅度提高处警能力,提升全社会安保能力。

    从市场销售来看,安保机器人目前尚处于市场培育阶段。2013年全球销售额约合2.2亿人民币,主要是小批量销售和样机试用。中国仅在变电站巡检机器人方面形成了批量销售。从市场竞争上看,目前行业龙头企业尚未形成,为众多进入者提供了均等的机会,优势企业的发展空间巨大。从市场需求上看,安保机器人具有广阔的发展前景。根据我们初步的市场调研和分析,我国安保机器人的总需求量将达到百万台,市场容量超过千亿元。

产品现状

    目前国内外已经有数十家机器人和安保领域的企业陆续开展了安保机器人的产品研发和应用,其中美国具有明显的技术和市场优势。早在1999年美国的Cybermotion公司就与美国陆军签订了一项为期7年的合同,生产25个系统100台MDARS-I机器人(图1a),用于美国18个不同的军用仓库中。MDARS-I的最低速度为3公里/时,一次充电可连续工作8小时,能够在360度范围内发现10米远的物体,可以通过无线局域网络与控制站的通信。机器人装有入侵者探测用的微波雷达、热成像仪、声音传感器、CCD摄像机、红外照明器和旋转及倾斜平台,还有超声波传感器及导航传感器等。可发现烟、火及入侵者,并可确定所存物品的状况及位置,发现问题及时发出警报。美国旧金山的SMP公司与硅谷创新中心合作开发了S5巡逻机器人(图1b),该机器人具有自主巡逻、自动避障、全景视频监控系统、PTZ自动跟踪拍摄、低噪音电机驱动等功能,目前已在迪拜运用。成立于2013年4月的美国Knightscope公司通过融合音视频、室外定位、避障等传感器技术、物联网技术、大数据技术,开发出可以在公共场所采集数据和执行任务的安全警卫机器人K5(图1c)。该机器人已经佩戴警徽上路巡逻,按每小时收费6.25美元的租赁模式运营。2015年我国的安保企业东方网力公司通过其香港子公司以500万美元入股Knightscope公司,获得5.98%股权。

    日本Tmsuk机器人公司与Alacom安保公司于2009年合作开发了T-34安保机器人(图1d)。该机器人最高时速10公里,配备有探测装置,可根据人体温度和声音侦察周围情况,并将相应图像实时地显示于手机屏幕。用于商场、楼宇的安保巡逻,发现可疑人员后,它可在主人的遥控指挥下,朝可疑人员喷撒一张蜘蛛网式的大网。

图1、国外典型的安保机器人

    我国在安保机器人方面的研究比国外起步略晚,但是在变电站巡检方面发展迅速,已经得到一定规模的应用。2002年国家电网公司电力机器人技术实验室在国家“863计划”的支持下,研制出第一代变电站设备巡检机器人。该机器人携带可见光摄像机和红外热像仪等传感器,沿一条闭合磁轨迹单向巡视,能够进行仪表读数和发现监测设备过热等异常现象。并于2010年研发出第四代巡检机器人(图2a),系统性能和可靠性显著提高。浙江国自机器人公司开发的智能巡检机器人(图2b)具有类似功能,已经实现小批量销售。沈阳新松机器人公司通过在其原有的AGV(自动引导小车)上安装视频监控系统研制出智能巡检机器人(图2c)。

    2006年6月中国民航地面特种设备研究基地机器人研究所研制出安保巡逻机器人(图2d),并被评选为2006年度安保领域创新产品。该机器人可以实现自主环境探测、自主避障导航及自主充电功能,能够按照工作人员的具体要求在非人工干预的情况下自主完成固定线路巡逻、随机线路巡逻及重点部位察看任务,具有全方位视觉的处理判断能力,以及视觉及双向语音信息的远程传输与监控,可检测环境烟雾及火灾情况并进行异常情况报警。广州尚云公司在2015年安博会期间推出了“守护神一号”智能巡逻机器人(图2e)。国防科技大学于2016年4月推出了“AnBot”智能安保服务机器人(图2f),该机器人集成了地图同步构建及定位、动态路径规划、深度学习智能大脑、视频智能分析等先进技术,具有自主巡逻、智能监控探测、声光报警、身份识别、自主充电等多种功能。并在机器人身上配备的带电防暴叉,终端操控人员可通过远程遥控,对犯罪嫌疑人进行威慑或将其制服。    

    中国安防技术有限公司(CSST)是一家专业从事安全防范和平安城市建设运营的综合型企业,于2012年开始与香港中文大学徐扬生院士的机器人研究团队开展合作,面向安保领域研发了地面巡逻、水上巡逻、危险救援、替身等多种机器人。2015年该公司以机器人研究院为核心组建了中智科创机器人有限公司,并于年底正式推出了两款安保机器人产品,适用于室外的SPR系列安保巡逻机器人(图2g)和适用于室内的SSR系列安保服务机器人(图2h)。这两款机器人集成了国内外安保机器人的多项优点,并结合该公司长期从事安保业务的优势,在机器人的环境适应性、使用方便性、应用有效性方面突破了一系列的关键技术,目前已经实现了批量销售。

图2、国内主要的安保机器人

科技情报分析

    科技文献和专利是最大的技术信息来源之一,是技术创新的表达形式,具有前沿性和时效性,通过科技文献和专利信息研究分析可以合理分析一个行业技术发展的现状、预测行业技术发展的动向。本文通过文献计量学研究方法,分别对安保机器人中文和外文的核心学术论文与专利的产出结果,进行了分析讨论,提出了在安保机器人研究领域的研究热点和方向,分析了我国安保机器人发展的机遇与挑战,为安保机器人产业发展提供了参考。

1.数据信息

    数据来源

    科技文献:WEBOFSCIENCE和CNKI数据库

    中国专利:智慧芽专利信息分析平台(http://passport.patsnap.cn/)

    国际专利:德温特专利数据库(DII)

检索式:

    中文文献和专利检索式:

    ('安保'+'安保'+'安全保护'+'安全监测'+'防护'+'防卫'+'安检'+'巡检'+'巡逻'+'侦测'+'侦查'+'预警'+'报警'+'看家'+'监控'+'替身'+'反恐'+'军用'+'除暴'+'排爆'+'拆弹'+'消防'+'救援'+'救灾'+'搜救'+'营救')*'机器人

    外文文献和专利检索式:

    TS=("security"or"inspection"or"detection"or"monitor"or"surveillance"or"warning"or"substitute"or"patrol"or"bomb-disposal"or"anti-terrorism"or"explosive-handling"or"explosiveordnancedisposal"or"firefighting"or"fire-fighting"or"firefighting"or"military"or"rescue")ANDTS=("robot"or"robots"or"robotics")

时间范围:1985年至2016年

2.科技文献

    (1)发文情况

图3、1985-2016年中文和外文文献年度发文趋势

    采用本文的检索方式对1985年至2016年中文和外文文献进行数据检索,共得到的文献量分别为6136和17043篇。根据检索结果可知,国际上安保机器人研究从1991起步,1996年起有明显的发展,2004年进入成长期后发展迅速,目前远未达到饱和期和衰退期,创新潜力巨大;中国的安保机器人研究起步比国外晚10年,但是后续发展迅猛,中国人发表的外文论文数量2007年超过了日本,2014年超过美国成为世界第一大论文产出国;美国、中国、日本、德国和韩国的总发文量较多,其在安保机器人理论和技术方面的研发实力雄厚,其中,美国在发表论文总数方面处于领先地位,主要在大学研究,前瞻性较强,在基础研究领域优势明显。

图4、1985-2016年外文文献前五名国家年发文趋势

 

2.2(2)关键词分析

    本文利用文献计量学词频分析法,采用CiteSpace[2]软件对与安保机器人相关的中外文学术论文和文献进行分析。关键词分析是学术期刊评价的重要指标,用来分析学术研究的热点,揭示研究内容之前的内部联系[3,4]。本文选择对2010年至2016年安保机器人中外文献的关键词进行分析,其中,2010年至2016年共检索到中文和外文的文献总量分别为4100和9677篇,通过关键词词频统计,确定安保机器人领域的研究方向。运行CiteSpace软件,将具有相同意义的关键词合并,按照关键词词频进行降序排列,得到排名前15的高频关键词表(见表1.1)。

表1.12010-2016年外文和中文文献高频关键词表

外文文献

中文文献

关键词

关键词

词频

关键词

词频

mobile

移动

967

控制系统

308

system

系统

705

巡检

241

Visio 

视觉

565

救援

162

object detection

检测

443

视觉

155

 network

网络

364

监控系统

154

navigation

导航/自主导航

357

目标跟踪

141

inspection

巡检

351

移动

131

design

设计

332

路径规划

129

localization

定位/即时定位

314

目标检测

99

tracking

追踪

278

变电站

65

algorithm

算法

266

运动学

64

recognition

识别

262

粒子滤波

54

sensor

传感器

256

智能

58

model

模型

245

plc

50

rescue

救援

207

传感器

47

    统计显示,在外文文献中,关键词词频较高的为:安保机器人移动、系统、视觉、检测、网络、导航/自主导航、巡检、设计、定位/即时定位等。在中文文献中,控制系统、巡检、救援、视觉、监控系统、目标跟踪、移动、路径规划、目标检测等词出现的频次较高。如果某一个关键词在安保机器人领域文献中出现的频次较高,那么该关键词所表征的研究主题是安保机器人领域的研究前沿[5]。由此可知,在安保机器人研究中移动系统、控制系统、视觉系统、导航系统、检测系统、救援系统及传感器系统等关键词所涉及的研究方向是国内外安保机器人领域学者研究的重点,同时也表明了这些领域是安保机器人研究中重点考虑的技术研究方向。

3.专利分析

    (1)专利申请量

    通过对DII专利数据库和智慧芽数据库进行检索,共检索到与安保机器人研究相关的专利分别为19397和32720件(检索时间为1985-2016年),由图5可以看出,安保机器人专利申请量整体持快速增长态势,说明了安保机器人技术生命周期尚处于技术发展期,未来发展存在巨大前景。在20世纪90年代末,国内安保机器人专利申请量快速增加。近年来,国内对专利保护的重视度也逐渐增强。其中,国内专利申请类型中,发明、实用新型和外观专利的占比分别为74%、25%和1%,创新能力潜力巨大。

图5:1985-2016年国内和国际安保机器人年度专利申请趋势

3.1(2)申请人排序

    根据统计分析得出2010年至2016年间国内和国际专利申请人排名(见图6和图7),从国际专利权人的申请量可知,日本在专利申请方面遥遥领先,主要在大企业研发,实用性较强,明显处于技术竞争的优势地位。

图6:2010-2016年国际安保机器人专利主要申请人

图7:2010-2016年国内安保机器人专利主要申请人

    由我国专利的申请情况(图7)可知,我国安保机器人专利产出单位除了国家电网公司和山东鲁能公司,大部分还是集中在高校科研院所,我国安保机器人领域的产业化还有待于进一步推进。中国安防公司各子公司合计拥有安保机器人相关专利189项。

结束语

    安保机器人具有抵近侦察和主动介入的能力,将给安保行业带来新的发展机遇,推动动静结合的智能安保服务体系建设,市场潜力巨大。

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