基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的非接觸式警用便攜金屬探測裝備的開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用探索*

鄭婧伶，王建勛

（1.廣西警察學(xué)院治安學(xué)院， 廣西 南寧 530023； 2.廣西壯族自治區(qū)資源縣公安局， 廣西 桂林 541499）

金屬探測技術(shù)最早于20 世紀(jì)60 年代應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。 經(jīng)過多年的發(fā)展， 探測技術(shù)不斷迭代升級， 與多種行業(yè)深度融合， 主要用于探測識別隱藏的金屬物質(zhì)。

目前， 金屬探測技術(shù)還沒有作為警用裝備加以開發(fā)利用。 警務(wù)工作具有高危險性， 警務(wù)人員被金屬利器傷害導(dǎo)致傷亡的事件時常發(fā)生， 警用裝備作為保障警務(wù)人員安全的物質(zhì)載體， 需要金屬探測技術(shù)的融入來實現(xiàn)提前預(yù)警的功能。 因此， 金屬探測技術(shù)在警用裝備領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用擁有較大的發(fā)展前景。

1 金屬探測技術(shù)應(yīng)用到警用裝備領(lǐng)域的必要性

警察職業(yè)具有高風(fēng)險性， 流血犧牲的情況時有發(fā)生， 因金屬利器造成的傷害成為傷亡的主要原因之一。 為了有效減少此類傷亡事件的發(fā)生， 研發(fā)可探測金屬的警用裝備應(yīng)用于實戰(zhàn)中， 十分必要。

1） 警務(wù)人員的傷亡原因分析。 警務(wù)人員的傷亡， 除了交通事故、 積勞成疾等原因外， 暴力襲警成為傷亡的主要原因[1]， 比例達(dá)到25%左右。 警務(wù)人員在處警過程中會遇到很多不確定因素： 一是近距離接觸， 容易受到暴力襲擊。 例如， 在盤查可疑人員和抓捕犯罪嫌疑人時， 如果對方攜帶刀具、 槍支、 爆炸物等危險物品， 警務(wù)人員貿(mào)然近距離接觸可能會遭受對方突襲。 二是接觸特殊人群， 容易導(dǎo)致職業(yè)暴露。

2） 現(xiàn)有警用裝備功能的局限性。 現(xiàn)有警用裝備對于金屬利器的預(yù)警還是空白。 警用裝備是警務(wù)人員在執(zhí)法、 執(zhí)勤的過程中配備使用的物品， 包括警械、 武器和單警裝備。 《 公安單警裝備配備標(biāo)準(zhǔn)》 明確日常警務(wù)的警用裝備配備項目包括警服、警棍、 手銬、 催淚噴射器、 強光手電、 警用制式刀具、 急救包、 多功能腰帶、 防割手套等必配項目以及槍支、 對講機、 警務(wù)通、 防刺服和警用裝備包等選配項目。 由此可見， 在警械、 武器及公安單警裝備中， 包含了救助、 防護(hù)、 約束、 制服、 殺傷和通信等基本功能[2]， 唯獨缺少了對具備預(yù)警功能警用裝備的開發(fā)和利用。

3） 金屬探測警用裝備開發(fā)的必要性。 非接觸式警用便攜金屬探測裝備， 針對金屬利器對警務(wù)人員造成傷害的客觀現(xiàn)實， 對金屬實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測識別和預(yù)警， 提示警務(wù)人員做好事先防范及精準(zhǔn)定位風(fēng)險來源， 有效彌補了現(xiàn)有警用裝備在預(yù)警功能上的不足， 也能最大程度減少警務(wù)人員傷亡的發(fā)生。

2 金屬探測技術(shù)應(yīng)用到警用裝備領(lǐng)域的可能性

從探測原理及物聯(lián)網(wǎng)信號識別原理分析， 將金屬探測技術(shù)應(yīng)用到警用裝備領(lǐng)域， 發(fā)揮對金屬物質(zhì)的預(yù)警功能是有可能實現(xiàn)的。

2.1 現(xiàn)有金屬探測技術(shù)的工作原理分析

現(xiàn)有金屬探測技術(shù)主要有3 種： 甚低頻（Very Low Frequency， VLF） 技術(shù)、 脈沖感應(yīng)（Pulse Induction， PI） 技術(shù)和拍頻（Beat Frequency Oscillator， BFO） 技術(shù)。 3 種技術(shù)的核心元件均包括： 電路、 電池、 搜索線圈、 信號處理器、 揚聲器等。 它們的工作原理都是利用金屬在限流電阻的作用下產(chǎn)生磁場， 通過高頻振蕩、 音頻振蕩等方式產(chǎn)生反饋， 不同技術(shù)之間工作原理相似但有細(xì)微的區(qū)別。依托3 種技術(shù)設(shè)計的金屬探測設(shè)備在探測靈敏度、深度、 多模式或抗干擾性等方面有不同的特點。

3 種探測技術(shù)目前在安防領(lǐng)域均有應(yīng)用， 產(chǎn)品包括手持式金屬探測儀和安檢門、 安檢機等， 主要應(yīng)用于大型活動及重要場所的安全檢查。 目前， 金屬探測產(chǎn)品性能存在一定的局限性： 一是探測距離短。 最大探測深度是20～30 cm， 必須近距離才能檢測報警。 二是設(shè)備體積大。 如安檢門的規(guī)格是固定的， 長寬高分別是2.2 m、 0.8 m、 0.5 m， 質(zhì)量達(dá)95 kg；手持式安檢儀的雖然體積稍小， 但是它的長寬高也分別有0.4 m、 0.08 m、 0.04 m， 質(zhì)量為0.4 kg， 均無法滿足日常警務(wù)工作隨身攜帶的需要。

2.2 非接觸式警用便攜金屬探測裝備的設(shè)計理念

現(xiàn)有金屬探測技術(shù)有局限， 為了適應(yīng)警務(wù)實戰(zhàn)的需求， 在設(shè)計思路上需要從非接觸探測、 預(yù)警功能和輕巧便攜3 個方面改進(jìn)。

2.2.1 設(shè)計思路

非接觸式警用便攜金屬探測裝備的設(shè)計理念是： 裝備分為前端探測識別部分和后臺數(shù)據(jù)庫兩個部分， 前端利用射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID） 技術(shù)遠(yuǎn)距離、 非接觸的特點， 對執(zhí)法現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行金屬信號讀取； 經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)將信號傳輸至后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計算和比對， 識別目標(biāo)方向是否存在金屬物質(zhì)并分析其位置、 大小、 性質(zhì)等信息， 最后將分析結(jié)果傳輸給民警， 實現(xiàn)對金屬物質(zhì)的提前預(yù)警。 根據(jù)這一設(shè)計思路， 將裝備分為兩個部分， 處警只需要攜帶前端探測部分， 保證了便攜實用特性。

要突破距離局限， 實現(xiàn)非接觸探測， 以RFID技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以解決這一問題。 RFID技術(shù)也叫做電子標(biāo)簽， 無需機械或者光學(xué)的接觸，只是通過無線信號或者微波， 就可以自動識別目標(biāo)物體并且進(jìn)行讀寫， 是目前應(yīng)用比較廣泛的非接觸式自動識別技術(shù)。 它的3 個特性成為非接觸的重要指標(biāo)： 一是穿透性和無屏障閱讀； 二是快速掃描；三是不受目標(biāo)物體的形態(tài)限制。 此外， 還需要依托物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)從射頻識別到金屬探測及自動預(yù)警的整合。

“ 物聯(lián)網(wǎng)” 是將RFID 的傳感數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來， 實現(xiàn)智能化識別和管理的系統(tǒng)。 物聯(lián)網(wǎng)將RFID 技術(shù)讀取到的信號通過網(wǎng)絡(luò)連接， 快速進(jìn)行計算與信息傳遞， 實現(xiàn)萬物互聯(lián)。 例如， 機動車無人駕駛技術(shù)正是通過多種傳感技術(shù)不斷交換物與物之間的信息， 判斷物與物之間的距離， 從而實現(xiàn)無人駕駛也可以安全行駛。

2.2.2 技術(shù)路線

非接觸式警用便攜金屬探測裝備主要元件包括電源、 控流模塊及主控芯片、 發(fā)射接收器、 報警器、 5G 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、 公安云端數(shù)據(jù)分析處理器。 裝備分為兩個部分： 警務(wù)人員隨身攜帶的探測端和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析的后臺。 具體工作原理見圖1。

圖1 非接觸式警用便攜金屬探測儀的工作原理設(shè)計圖

設(shè)計路線中對非接觸探測、 預(yù)警和便攜三大功能的實現(xiàn)方式如下。

1） 非接觸探測功能。 警務(wù)人員隨身攜帶的探測端是實現(xiàn)非接觸探測功能的部分， 主要元件有電源、 控流模塊、 主控芯片、 發(fā)射接收器。 電源負(fù)責(zé)為工作提供有效的能量保障， 為發(fā)射無線信號提供有源支撐。 相較于無源技術(shù)， 有源技術(shù)更為穩(wěn)定，為了保障更遠(yuǎn)的有效探測距離， 電源設(shè)計必不可少。 控流模塊負(fù)責(zé)將電流輸送到主控芯片及發(fā)射器上， 主控芯片負(fù)責(zé)統(tǒng)計和提取發(fā)射器發(fā)出的無線信號及反饋的信號頻率。 裝備的核心部分為主控芯片。 在芯片中嵌入RFID 讀寫器， 通過發(fā)射線圈發(fā)出和回收一定頻率的無線信號。 當(dāng)電流途經(jīng)線路時定向發(fā)射無線信號， 信號對外產(chǎn)生一定磁場， 如果信號返回的時間、 強弱、 頻率高低沒有變化， 說明目標(biāo)方向沒有金屬物質(zhì)； 反之就說明目標(biāo)方向可能有金屬物質(zhì)存在。 RFID 讀寫器將信號發(fā)出后， 信號作用在多個物體之間， 不斷接收各物體的反饋信號， 由此就完成了對金屬物質(zhì)的非接觸式識別過程。

2） 預(yù)警功能。 主控芯片的接收器將信號回收并通過5G 網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給公安云端數(shù)據(jù)分析服務(wù)器。 公安云端數(shù)據(jù)分析服務(wù)器是大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫， 儲存著各種數(shù)據(jù)資料， 建有各種金屬物質(zhì)數(shù)據(jù)模型。 把金屬探測裝備發(fā)回的信號數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的模型進(jìn)行快速對比、 分析、 記錄， 就可以判斷是否存在金屬物質(zhì)； 同時根據(jù)物物關(guān)聯(lián)發(fā)回的多種信號還可以計算出金屬物質(zhì)的大小、 位置和距離等信息。 分析結(jié)果通過5G 通信傳輸作出統(tǒng)計和提取，當(dāng)云端分析服務(wù)器發(fā)出疑似存在金屬物質(zhì)的預(yù)警指令時， 報警器可通過聲音或者震動等方式， 提示警務(wù)人員注意。

3） 便攜功能。 主要取決于警務(wù)人員在攜帶時的體感和使用感受。 非接觸式警用便攜金屬探測裝備的中控芯片采用RFID 技術(shù)， 發(fā)揮其體積小、 形態(tài)可塑性高和穿透性強的優(yōu)勢； 其他元件如電池、線圈的選擇也充分考慮到了便攜的物理屬性， 盡量在體積、 質(zhì)量、 功能、 耐用性上予以綜合考量。

基本參數(shù)如下。

電池可連續(xù)使用壽命： 鎳氫電池為50 h 左右；堿性電池為170 h 左右。

操作溫度： -15 ℃～70 ℃。

相關(guān)濕度： 0～95%。

外殼： 黑色防震設(shè)計丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene， ABS）。

質(zhì)量： 0.283 kg (含電池)。

工作頻率： 20 kHz。

尺寸大小： 長度270 mm。

考慮到電池的持久耐用以及環(huán)境變化因素， 選用了最輕的材料， 最小的體積， 真正能讓警務(wù)人員做到隨身攜帶， 以備不時之需。

2.2.3 技術(shù)難點與突破

非接觸式警用便攜金屬探測裝備的技術(shù)難點：一是無標(biāo)簽情況下RFID 技術(shù)應(yīng)用問題； 二是金屬探測識別的極限距離問題； 三是提高識別精準(zhǔn)度，排除干擾問題。

1） 無標(biāo)簽情況下RFID 技術(shù)應(yīng)用問題。 RFID技術(shù)一般采用配套的標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取， 警務(wù)工作無法提前在可疑對象身上放置電子標(biāo)簽， 只能讀取金屬磁場的變化信息， 因此在RFID 技術(shù)的主控芯片要將非接觸傳感技術(shù)和金屬磁場關(guān)聯(lián)起來， 需要發(fā)射器和接收器， 實現(xiàn)對金屬信號流的初步判斷。

2） 金屬探測識別的極限距離問題。 對嫌疑人進(jìn)行盤查等警務(wù)活動時， 距離的遠(yuǎn)近和安全程度成正比。 非接觸式警用便攜金屬探測儀的探測距離改進(jìn)使用了RFID 技術(shù)， 探測距離提升了30～40 cm，識別的靈敏度和距離成反比。 因此， 最大有效距離的多少是RFID 技術(shù)的難點。

3） 提高識別精準(zhǔn)度， 排除干擾問題。 其也是技術(shù)難點之一。 金屬物質(zhì)的種類很多， 有些是刀具、 棍棒、 針頭之類可能給執(zhí)法工作帶來危險的物品， 也有的可能是日常使用的， 比如鑰匙、 拉鏈等生活用品。 如何提高識別精準(zhǔn)度， 減少誤報， 需要盡可能多地豐富數(shù)據(jù)庫和完善模型， 才能提高工作效率和準(zhǔn)確性。

3 應(yīng)用前景和社會意義

從應(yīng)用前景來看， 非接觸式警用便攜金屬探測裝備將物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)與金屬探測技術(shù)融合， 是金屬探測技術(shù)的革新， 不僅可以開發(fā)出新產(chǎn)品， 還可以提高現(xiàn)有安檢設(shè)備的工作效率。

從社會意義來看， 非接觸式警用便攜金屬探測裝備不僅僅是技術(shù)的革新， 更重要的是它回應(yīng)了提升警務(wù)工作者安全防護(hù)的期待， 具有重要的社會意義。 非接觸式警用便攜金屬探測裝備作為具有預(yù)警功能的警用裝備， 對一線警務(wù)人員的人身安全和健康起到一定的保護(hù)作用， 對于減少傷亡意義重大。