徐贵森   时浩   董钦   骆聪聪

引言

随着机器人技术的发展，工业和服务型机器人已经进入到各行各业，包括工厂、物流、餐厅、商场、家庭等等。如今机器人正逐步进入公共安全领域，如维护辖区内的治安秩序，预防和制止治安案件和突发性事件；参加处置灾害性事故；维护交通秩序；接受公民报警；辅助疏导劝解、制止公共场所发生的民事纠纷；为社会和公民提供救助和服务等。如何将公安巡逻执法等业务与大数据和人工智能这两项支撑机器人的重要技术相结合，将一线干警从繁重重复的警务工作中解放出来，是今后一段时期需要不断满足的迫切需求。

警用机器人前端要与警用机器人指挥控制平台以及数据分析研判系统联通，需要安全可靠的无线通信传输通道。平台控制端发送到警用机器人的各种指令以及终端采集回传的信息需要采用符合公安安全规范的无线通信系统和设备得以实现。因此，为警用机器人规划出一套适合其业务开展并具有持续发展潜力的警用无线安全通信系统和接入平台是十分迫切和必要的。

一、警用机器人业务场景

警用机器人应用正处于蓬勃发展阶段，在多个实战场景成功协助公安干警完成日常警务工作，将公安一线干警从繁重的简单重复性工作中解放出来，显著提高警务效率。从实际应用中警用机器人主要业务场景可分为以下三种：

巡逻场景：警用巡逻机器人在任务场所内外按照事先规划好的巡逻路线进行有规律的巡查、检查，发现可疑人员或疑似爆炸物等威胁。

安保场景：警用安保机器人在治安卡口根据指挥系统提供的可疑人员信息核验过往人员身份信息、核验车辆信息、协助检查相关包裹等。

处置场景：警用处置机器人装备相应的任务载荷模块到达现场，执行现场管控和排爆作业等现场处置任务。

警用机器人通常根据业务场景选择相应的通信方式。在巡逻场景中，警用机器人需要对较大区域进行重复细致的巡查，将可疑人像比对、异常行为检测、威胁隐患感知、现场视频监控等信息及时上报后台指挥中心。在巡逻场景中，警用机器人通常采用无线通信方式，并对通信方式提出较为严苛的要求，具备包括连续覆盖、大带宽、低延时、越区切换等特性。在安保场景中，警用机器人活动范围相对较小，主要完成人员进门安检、身份核验、人脸抓拍、车牌抓拍等任务，可采用局部覆盖的无线局域网络或金属导线、光纤等有线通信方式上报告警信息。在处置场景，考虑到传输的时延和现场电磁封控，警用机器人通常采用有线方式与附近的操作控制器相连进行实时精准操作。本文着重针对警用机器人巡逻场景进行分析，实现警用机器人无线安全通信的方案。

二、警用机器人无线安全通信需求

前一阶段的项目试验中，警用巡逻机器人的两项主要任务是服务游客和协助执勤，服务游客具体包括：区域巡逻、语音播报、远程对讲、警民交互、人机交互、指路答疑等；协助执勤具体包括：实时监测视频回传、人脸抓拍实时比对、夜间巡逻红外感知等。如图1所示为警用巡逻机器人在广场巡逻的示意图。 

为完成上述功能，警用机器人通常需要配备多部摄像机，其中高清摄像机完成高清监测视频采集回传及人脸抓拍任务；红外摄像机在夜间巡逻时用于红外热成像感知；其他摄像机分别对应机器人多个方向进行视频拍摄，用于信息采集或辅助导航，需要时可调取视频。机器人需要配备扬声器、麦克风以及各种采集传感器，其中扬声器用于发布后台最新推送的广播内容，麦克风用于现场人员与后台民警进行语音交互，传感器用于感知周围环境信息。综上所述，警用机器人需要通过无线通信传输的典型信息包括采集数据、语音、图片、视频等，各类信息传输所需数据不同，一般带宽采集数据以及语音信息传输需十几kbps，传输图片需几百kbps，而1路高清视频回传需要1～4Mbps数据流量。

根据警用机器人日常实战需要，警用机器人无线传输内容可归纳为控制/采集类信息以及音视频类信息。控制/采集类信息主要包括控制指令，以及监测传感类信息。如指挥控制平台对机器人终端的各种控制指令；机器人装载各种传感器的传感信息，如机器人定位信息、温度、电池等；侦测信息，如人像信息、声纹信息等。这类信息数据流量不大，需占用无线数据带宽几十到几百kbps，可以使用4G/5G公众移动通信网、4G政务共网等方式来传输。机器人前端采集的音视频信息，通常数据流量较大，占用带宽大，如一路720P分辨率，采用H.264编码的高质量视频信号占用带宽最大可达到2Mbps；一路1080P分辨率，采用H.264编码的高质量视频新型号占用带宽可达到4Mbps。可以使用4G/5G公众移动通信网、4G政务共网、基于WLAN的安全局域网（如WAPI，国家无线局域网安全强制性标准）和340兆应急图传系统传输。对于上述网络在特定场景下的网络特性分析如表1所示，表中给出的参数均为网络实际运行时的期望值。其中，由于5G目前处于测试阶段，没有明确用户传输带宽测试参数，故未列入表中；4G LTE政务共网为保证多用户传输带宽均衡分配，一般采用限速的使用模式，用户传输带宽2～4Mbps；安全局域网可按照需求的接入点边缘速率来设计和架设网络，可用数据传输带宽可在较大范围内调整。 

无线通信系统存在可用的频率资源紧张、数据传输带宽受限、通信不稳定性、存在安全隐患等特点。需要根据机器人应用场地、任务场景、功能特点在可用资源内选择通信系统及设备，客观条件的限制可能会影响到应用是否能够实现以及应用的效果。另一方面终端设备到平台通过无线通信传输的数据类型以及传输方式应针对可用的通信系统做优化设计。

警用机器人结合不同的业务需求，装置有多种通信链路设备的警用机器人终端可结合不同的业务需求选择不同无线链路传输不同类型的数据。适应无线链路的通信特点，选择适当的方式进行数据传输。例如不间断传输一路720P分辨率的视频，每小时需消耗7.2Gb流量，每天需消耗172.8Gb流量，公众移动网络的资费较高，且目前各大运营商制定的行业用户专网流量资费远高于普通用户流量资费，致使无法承受长时间高流量视频传输。即使是在政务共网以及使用公用频段的无线局域网，也应尽量避免大流量视频数据的长时间连续传输，合理规划和使用有限的频率资源，以保证更多用户端的无线数据传输业务的正常开展。如在摄像头取高清视频码流进行人脸抓拍、车牌识别等处理，取降低分辨率、帧率、编码质量的低流量的副码流用于实时视频回传。警用机器人采集类信息在前端进行处理或预处理，特别是视频等高通量数据应在终端进行存储，减少通过无线信道的数据传输量，按需回传到平台。

警用机器人各类数据通信协议应根据无线通信链路特点、即时工作状态，动态调整数据传输方式，并设计容错传输机制和协议，确保业务信息的正常传输。

此外，警用机器人在应急场景下，需要利用各种可用的频谱资源及通信设备尽可能地传输采集信息，并接收控制指令。

三、基于移动警务的警用机器人无线安全接入方案

警用机器人无线安全通信要把握以下原则：一是频率合法，在日常警务工作中警用机器人通信系统应使用合法通信频段，包括应用于公共安全的专用频段或公用频段，符合工信部无线电管理部门以及公安部业务局对于上述频段的使用要求。二是设备合格，警用机器人无线通信系统和设备应使用取得工信部入网检测认证的合规通信设备进行搭建，其中使用警用无线通信设备还需要遵守相关公共安全行业规范的要求。三是接入合规，警用机器人前端接入到管理控制以及数据分析平台进行警务应用，可能涉及到不同类别、不同安全等级的警务网络平台，应严格界定并遵照公安部相关安全接入的规范执行，并按照部省市地多级联网架构实现联网应用。四是数据安全，警用机器人应具备终端设备身份认证、保证数据安全存储以及传输安全。采集的数据应使用国密算法对其进行存储和传输，确保数据的安全性和完整性。

警用机器人以无线通信方式接入到指挥控制平台，需要根据警用机器人前端与后台之间信息传输的类型和方式，合理选择无线通信手段和设计安全接入方案。

（一）移动警务安全接入方案

公安部全国公安移动警务建设总体技术方案规范了基于4G公众移动通信网络的警用无线终端访问公安信息网的安全接入行为，其总体架构示意如图2所示。 

方案在公安信息网外提出联网服务子平台的概念，并明确指出部、省两级联网服务子平台可相互联通，实现部、省两级移动警务平台之间资源共享；各级联网服务子平台可与视频专网、行业专网等其他专网联通，实现资源共享。各省通过电子政务外网已经完成与部级平台在联网服务子平台的互联互通。

此外，方案还提出了一套基于“一个中心”（管控中心）管理下的“三重保护”（计算环境安全、区域边界安全、网络通信安全）的移动警务安全体系。其中对于网络通信安全部分要求应采用基于IPSec、SSL等安全通信协议建立的VPN安全传输通道。

在实际部署过程中，网络通信安全具体措施包括：运营商APN、3A认证技术；基于证书的身份认证及VPN安全传输隧道技术，基于国密算法的信源加密技术。

（二）警用机器人安全接入方案

警用机器人安全接入方案是基于移动警务安全接入规范的基础上，在机器人内部增加了安全接入模块，在联网服务子平台增加了机器人应用服务器等设备，如图3所示。 

目前安全接入模块存放密钥及身份证书，密钥用于警用机器人业务数据的加密传输及本地存储，身份证书用于警用机器人通信模块身份认证，并与统一认证服务器配合建立VPN安全传输通道使用。机器人应用服务部署在联网服务子平台，利用其与其他资源平台良好的联通特性，快速实现警用机器人采集信息的比对及研判。

四、警用机器人无线安全通信专网

借助于移动警务安全接入平台的警用机器人安全接入方案可在一定程度上解决警用机器人与后台指挥控制平台间信息安全可靠传输。随着警用机器人业务的不断发展，各类与机器人相关的应用快速增加，机器人管控与信息处理平台规模将越来越大，需要建立独立的采用分散部署、分级控制联网架构的警用机器人无线安全通信专网。

（一）警用机器人无线安全通信专网方案

警用机器人无线安全通信专网建设需要从方案、标准和设备等方面同步推进。警用机器人无线安全通信专网总体架构如图4所示。方案包含警用机器人无线网接入、警用机器人接入区、警用机器人联网服务子平台等部分。 

警用机器人无线网接入部分保障警用机器人在任务区域的无线信号覆盖及安全可靠的无线接入，包含具备安全保障的无线网络及安全接入模块。无线网络包括：提供APN虚拟专网的4G/5G公众移动通信网、4G LTE政务共网以及基于WLAN的安全无线局域网。安全接入模块自适应选择无线网络对平台侧提供认证，建立VPN安全传输隧道。

警用机器人接入区保障经认证的机器人接入。其中统一认证服务器对外提供统一认证，建立VPN安全传输隧道，对内可实现各警用机器人应用服务资源复用及整合。

警用机器人联网服务子平台配置警用机器人服务器集群，处理各类业务数据，通过机器人隔离边界与移动警务联网服务子平台联通，警用机器人所需的数据资源可以安全及时地交互。

（二）警用机器人无线安全通信专网标准

对于警用机器人相关技术将逐步制定相应的公共安全行业标准规范，并依据标准规范建立设备的检测认证及业务管理体系。上述方案中涉及到的无线通信以及通信安全技术要求，将通过公共安全行业标准来规范，目前警用机器人通信技术规范、警用机器人安全技术规范编制工作已在进行中。

（三）警用机器人无线安全通信专网设备

按照相关行业规范要求，在现有设备的基础上研制新一代警用机器人安全接入模块、统一认证服务器及机器人隔离边界设备，研制适应多场景、多通信模式、稳定可靠、安全的警用机器人通信设备。

五、警用智能装备无线安全通信发展趋势

警用机器人无线安全通信专网可有效解决机器人前端与指挥控制平台间信息的点对点安全可靠的交互。随着公安科技信息化水平的深入发展，以及大数据、云计算、人工智能、下一代宽带无线通信等新技术的广泛应用，以机器人、无人机、智能传感器为代表的警用无人智能装备将会逐步应用到各级公安机关的实战工作中，将形成指挥控制系统、警员、智能装备密切协作的警务处置架构。为应对新形势，需要建立以信息协同共享为核心、安全传输为纽带、快速应用为目标的警用数字信息链。警用数字信息链是满足公安各类信息系统、警员、智能装备间主动信息交互需求，采用标准化消息格式、灵活可靠的组网方式、安全保密的通信传输信道而构成的一种警用信息系统。警用数字信息链为警用无人智能装备提供了一种相互间及对外沟通交流的“语言”，能够激发无人智能装备的技术潜能，促其成为主动发现、协同工作、安全可靠、快速处置的警用装备利器。

六、结语

为有力贯彻赵克志部长提出的把握时代发展大势，大力实施公安大数据战略，着力打造数据警务、建设智慧公安，全面推动公安工作质量变革、效率变革、动力变革，努力实现公安机关战斗力的跨越式发展的重要指示精神，势必要加大警用机器人领域的投入力度，同时也将带动公安无线安全通信的发展，从而满足更多警种巡逻执法辅助办案的业务需求，但同时我们也应该看到，警用机器人无线通信设备的研发及规模化应用才刚刚起步，大量安全类技术需要突破。因此，需要从警用机器人实战需求出发，按步骤有计划地逐步实现警用机器人应用短期和长期目标，最终应用警用数字信息链，将公安执法办案的各个节点有机整合在一起，实现警务信息的安全及时交互，指挥控制指令可靠准确下达，优化警务模式，提升警务效率。

参考文献：

[1] 陈晓东. 警用机器人. 科学出版社,2008.

[2] 林伟民, 顿向明, 林子洋,等. 基于激光雷达的重型自动导引运载车定位研究[J]. 机械与电子, 2017(3):64-68.

[3] 徐贵森，符东昇. 我国宽带数字集群应用需求分析[J]. 移动通信,2013(1): 25-30.

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