警犬生理與運動數據微型監測裝備研究進展綜述

劉 楊 李宇航 崔楷汶 沈玉慶 郭 捷 孟祥龍

一、警犬狀態監測研究背景概述

隨著警犬技術的不斷發展，警犬作為國家安全機關重要的組成力量，逐漸在緝毒搜查、消防安全、刑事偵查以及各類安全保衛工作中發揮著獨特的作用。然而在日常訓練和打擊犯罪過程中，警犬由于缺乏相應的保護措施而容易受到傷病的困擾。目前對于警犬的日常監測管理工作，主要采用人工輪崗檢查的工作制度，這種方式容易受到責任人輪崗輪訓、臨時任務變動等因素干擾，易造成因狀態監測不足引起警犬疾病惡化的嚴重后果。此外，警犬的狀態監測研究具有復雜多變性，傳統研究方法如組合測試、觀察測試、犬個體評分法以及品種模型專家評分法等人工觀測方式已經無法滿足警犬狀態監測的細致要求，需要對警犬狀態監測展開由表象到深層次的研究探索。

為了突破僅憑警犬訓導員或相關專家的主觀經驗、肉眼觀察判斷警犬狀態的限制，國內外的不同研究團隊設計并運用不同的監測儀器記錄警犬狀態及行為變化，包括對警犬的心電、呼吸、體溫、吠叫聲、運動姿態及地理位置的監測，從生理監測和行為監測等方面突破了傳統人工方式帶來的誤差限制，提高了警犬執行工作任務的可靠性。例如，針對警犬吠聲的監測，可以有效辨別警犬在不同環境下的情緒變化，可以作為警犬自身健康狀態以及搜查工作效率的評價標準之一。針對警犬運動姿態及地理位置的監測，可以擴大提升警犬與警務人員的工作配合范圍，在面對消防救災、緝毒搜查以及人質解救等復雜多變的工作環境時，可以克服空間、環境等限制因素，為現場工作的系統化指揮提供數據支撐，彌補警犬工作中人工監測帶來的失誤與不足。

不可否認，警犬由于具有嗅覺靈敏、運動靈活、作戰忠誠等特點，在科學技術飛速發展的當下仍然具有機器裝備無法取代的地位。在未來信息化、智能化的作戰體系中，通過智能裝備監測警犬狀態數據并反饋給警務人員作為執行任務的參考依據，建立起“人防+物防+技防+犬防”的四位一體工作模式，對于推動我國公共安全事業的發展具有深遠的意義。

二、警犬生理狀況微型監測裝備研究現狀

警犬的生理參量，是指警犬在正常生命活動中的血壓、心電、心率、呼吸以及腦電等一系列指標的數據反饋。就目前國內外對警犬生理狀態監測的研究來看，大多集中在警犬訓練過程中生理狀態監測以及疾病防控監測中。

針對警犬在高溫、高強度訓練下的脫水中暑現象，公安部南京警犬研究所開發了一種可穿戴式生理參數監測設備，由內嵌在警犬背心中的采集終端和移動監測兩部分組成。該設備綜合監測警犬的體溫、心率以及呼吸頻率等數據，并綜合內置異常生理參數評價標準，通過無線網絡傳輸的方式將監測參數信息、診斷結果發送給使用后端監測的警務人員，可為警犬的安全訓練模式提供設計依據。富士康公司也推出了一款可以用于監測警犬體溫、排遺物等狀況的掛件，可以實時監測警犬的健康狀態，并且將監測數據傳輸至云服務器終端，警務人員可以登錄服務器網站查詢警犬的生理健康狀態。為進一步輔助警務人員在訓練過程中把控警犬的情緒變化，沈陽工業大學基于深度殘差網絡、分組重組殘差網絡的警犬情緒識別方法，建立了一種新型的警犬情緒識別算法，可用于警犬健康監測設備中。警犬的搜爆訓練是警犬技術的重要環節，重慶市公安局開發了一種嗅覺定位訓練器，該訓練器由罐體和投食桿組成，通過對警犬嗅覺的監測與調控，使得警犬具備快速識別氣味的分辨能力，進一步提高警犬抵抗不同工作環境中氣味干擾的能力。北京市公安局通過核磁共振設備，對特定刺激下的警犬大腦進行掃描，實現了清醒狀態下警犬大腦的高清核磁共振圖像的采集，為監測分析警犬的腦電波信號提供了重要的技術支撐。公安部南昌警犬基地開發了一種新型的記錄警犬生理數據的設備，該設備通過使用心電監測探頭、體溫監測探頭等微型監測設備，通過配套生理信號采集軟件解算后，可以全面監測記錄警犬的心電、體溫、呼吸等數據。

三、警犬運動數據微型監測裝備研究現狀

警犬運動數據的研究多集中在警犬的動作姿態以及地理定位等方面。目前對于警犬運動姿態的識別技術一般采用兩類，一種是基于圖像采集識別，另一種是基于傳感器網絡并結合數據融合算法解算識別。中國人民解放軍陸軍工程學院設計了一種全新的多傳感器警犬數據背心，一方面采用低功耗小型慣導單元、高度和壓力傳感器組成傳感網絡，可以識別警犬不同行為姿態，另一方面提出了基于四元數的新型濾波方式的三維運動姿態捕捉算法，并在此基礎上對警犬的姿態進行重新建模實驗，通過實驗和仿真對比驗證了該集成設備建立的真實可信姿態模型。中北大學信息與工程學院針對警犬為研究對象，基于LabWindows/CVI 設計了警犬狀態監測系統，可以實時獲取警犬的實時加速度、位置等信息，采用北斗短報文的方式回傳信息至監測平臺，實現終端信息監測、存儲和分析功能。西安中興新軟件責任有限公司設計了一種加入粗糙集的在線序列極限學習算法，可以用于區別難以明確劃分的警犬行為姿態，通過實驗分析證實了該方法在警犬動態姿勢識別中的準確性。

當下，對于警犬地理位置的定位方法主要有超聲波定位、藍牙定位、WiFi 定位，超寬帶(UWB)定位等。青島信息科技大學針對緝毒犬訓練過程中存在的安全問題，采用超寬帶(UWB)定位技術使傳輸信號在短時間內以極低的功率實現數據的高速傳播，實現緝毒犬在工作過程中的高精度定位功能。中北大學針對警犬日常訓練中監測不足的問題，開發一種運動定位監測設備，該設備包括北斗定位模型、加速度監測模塊以及無線通信模塊等，通過基于LabWindows/CVI 的上位機終端，可以有效實現對警犬的準確定位功能。公安部南京警犬研究所通過引入無人機的方式，基于無人機傳回的準確數據和高精度圖像，對警犬本身的位置和狀態進行實時監測。

四、警犬生理與運動數據微型監測裝備研究發展趨勢

目前，警犬生理與運動數據微型監測裝備研究逐漸向小型輕量化、融合運動監測和健康監測、新型數據網絡傳輸以及柔性共形集成化發展。其中，相比于當前的微型監測設備，柔性集成監測設備可以更好地實現與警犬生物組織的集成匹配，以提供更為良好的應用舒適性。

最初可延展柔性電子器件的制備過程是通過預拉伸可延展柔性有機襯底，再將生長制備好的電子元器件和互聯導線轉印在已拉伸后的襯底上，釋放預應變后，互聯導線就會出現屈曲，這樣制備出的屈曲互聯導線具有承受拉伸載荷的能力，從而實現器件的可拉伸性能。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合，并可在警犬組織變形時正常工作?；谌嵝赃B線力學設計，通過先進的柔性電子制備工藝實現該監測系統的小型化、輕量化與柔性化。可以有效掌握警犬的實時位置、運動路徑、速度曲線以及加速度曲線等數據。

但針對柔性器件在犬類應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現緊密貼合，但是犬類身體覆蓋茂密的毛發，為一些需要緊密貼合的生理信號監測提出了挑戰。二是相對于人類而言，警犬體型更小，運動幅度更大，需要監測裝置盡可能輕型化與柔性化，以減小對警犬運動的影響。三是監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，是這種新型技術能否應用的重要挑戰。