警犬生理与运动数据微型监测装备研究进展综述

刘 杨 李宇航 崔楷汶 沈玉庆 郭 捷 孟祥龙

一、警犬状态监测研究背景概述

随着警犬技术的不断发展，警犬作为国家安全机关重要的组成力量，逐渐在缉毒搜查、消防安全、刑事侦查以及各类安全保卫工作中发挥着独特的作用。然而在日常训练和打击犯罪过程中，警犬由于缺乏相应的保护措施而容易受到伤病的困扰。目前对于警犬的日常监测管理工作，主要采用人工轮岗检查的工作制度，这种方式容易受到责任人轮岗轮训、临时任务变动等因素干扰，易造成因状态监测不足引起警犬疾病恶化的严重后果。此外，警犬的状态监测研究具有复杂多变性，传统研究方法如组合测试、观察测试、犬个体评分法以及品种模型专家评分法等人工观测方式已经无法满足警犬状态监测的细致要求，需要对警犬状态监测展开由表象到深层次的研究探索。

为了突破仅凭警犬训导员或相关专家的主观经验、肉眼观察判断警犬状态的限制，国内外的不同研究团队设计并运用不同的监测仪器记录警犬状态及行为变化，包括对警犬的心电、呼吸、体温、吠叫声、运动姿态及地理位置的监测，从生理监测和行为监测等方面突破了传统人工方式带来的误差限制，提高了警犬执行工作任务的可靠性。例如，针对警犬吠声的监测，可以有效辨别警犬在不同环境下的情绪变化，可以作为警犬自身健康状态以及搜查工作效率的评价标准之一。针对警犬运动姿态及地理位置的监测，可以扩大提升警犬与警务人员的工作配合范围，在面对消防救灾、缉毒搜查以及人质解救等复杂多变的工作环境时，可以克服空间、环境等限制因素，为现场工作的系统化指挥提供数据支撑，弥补警犬工作中人工监测带来的失误与不足。

不可否认，警犬由于具有嗅觉灵敏、运动灵活、作战忠诚等特点，在科学技术飞速发展的当下仍然具有机器装备无法取代的地位。在未来信息化、智能化的作战体系中，通过智能装备监测警犬状态数据并反馈给警务人员作为执行任务的参考依据，建立起“人防+物防+技防+犬防”的四位一体工作模式，对于推动我国公共安全事业的发展具有深远的意义。

二、警犬生理状况微型监测装备研究现状

警犬的生理参量，是指警犬在正常生命活动中的血压、心电、心率、呼吸以及脑电等一系列指标的数据反馈。就目前国内外对警犬生理状态监测的研究来看，大多集中在警犬训练过程中生理状态监测以及疾病防控监测中。

针对警犬在高温、高强度训练下的脱水中暑现象，公安部南京警犬研究所开发了一种可穿戴式生理参数监测设备，由内嵌在警犬背心中的采集终端和移动监测两部分组成。该设备综合监测警犬的体温、心率以及呼吸频率等数据，并综合内置异常生理参数评价标准，通过无线网络传输的方式将监测参数信息、诊断结果发送给使用后端监测的警务人员，可为警犬的安全训练模式提供设计依据。富士康公司也推出了一款可以用于监测警犬体温、排遗物等状况的挂件，可以实时监测警犬的健康状态，并且将监测数据传输至云服务器终端，警务人员可以登录服务器网站查询警犬的生理健康状态。为进一步辅助警务人员在训练过程中把控警犬的情绪变化，沈阳工业大学基于深度残差网络、分组重组残差网络的警犬情绪识别方法，建立了一种新型的警犬情绪识别算法，可用于警犬健康监测设备中。警犬的搜爆训练是警犬技术的重要环节，重庆市公安局开发了一种嗅觉定位训练器，该训练器由罐体和投食杆组成，通过对警犬嗅觉的监测与调控，使得警犬具备快速识别气味的分辨能力，进一步提高警犬抵抗不同工作环境中气味干扰的能力。北京市公安局通过核磁共振设备，对特定刺激下的警犬大脑进行扫描，实现了清醒状态下警犬大脑的高清核磁共振图像的采集，为监测分析警犬的脑电波信号提供了重要的技术支撑。公安部南昌警犬基地开发了一种新型的记录警犬生理数据的设备，该设备通过使用心电监测探头、体温监测探头等微型监测设备，通过配套生理信号采集软件解算后，可以全面监测记录警犬的心电、体温、呼吸等数据。

三、警犬运动数据微型监测装备研究现状

警犬运动数据的研究多集中在警犬的动作姿态以及地理定位等方面。目前对于警犬运动姿态的识别技术一般采用两类，一种是基于图像采集识别，另一种是基于传感器网络并结合数据融合算法解算识别。中国人民解放军陆军工程学院设计了一种全新的多传感器警犬数据背心，一方面采用低功耗小型惯导单元、高度和压力传感器组成传感网络，可以识别警犬不同行为姿态，另一方面提出了基于四元数的新型滤波方式的三维运动姿态捕捉算法，并在此基础上对警犬的姿态进行重新建模实验，通过实验和仿真对比验证了该集成设备建立的真实可信姿态模型。中北大学信息与工程学院针对警犬为研究对象，基于LabWindows/CVI 设计了警犬状态监测系统，可以实时获取警犬的实时加速度、位置等信息，采用北斗短报文的方式回传信息至监测平台，实现终端信息监测、存储和分析功能。西安中兴新软件责任有限公司设计了一种加入粗糙集的在线序列极限学习算法，可以用于区别难以明确划分的警犬行为姿态，通过实验分析证实了该方法在警犬动态姿势识别中的准确性。

当下，对于警犬地理位置的定位方法主要有超声波定位、蓝牙定位、WiFi 定位，超宽带(UWB)定位等。青岛信息科技大学针对缉毒犬训练过程中存在的安全问题，采用超宽带(UWB)定位技术使传输信号在短时间内以极低的功率实现数据的高速传播，实现缉毒犬在工作过程中的高精度定位功能。中北大学针对警犬日常训练中监测不足的问题，开发一种运动定位监测设备，该设备包括北斗定位模型、加速度监测模块以及无线通信模块等，通过基于LabWindows/CVI 的上位机终端，可以有效实现对警犬的准确定位功能。公安部南京警犬研究所通过引入无人机的方式，基于无人机传回的准确数据和高精度图像，对警犬本身的位置和状态进行实时监测。

四、警犬生理与运动数据微型监测装备研究发展趋势

目前，警犬生理与运动数据微型监测装备研究逐渐向小型轻量化、融合运动监测和健康监测、新型数据网络传输以及柔性共形集成化发展。其中，相比于当前的微型监测设备，柔性集成监测设备可以更好地实现与警犬生物组织的集成匹配，以提供更为良好的应用舒适性。

最初可延展柔性电子器件的制备过程是通过预拉伸可延展柔性有机衬底，再将生长制备好的电子元器件和互联导线转印在已拉伸后的衬底上，释放预应变后，互联导线就会出现屈曲，这样制备出的屈曲互联导线具有承受拉伸载荷的能力，从而实现器件的可拉伸性能。这种可拉伸性能能够保证电子器件与警犬身体柔软组织紧密结合，并可在警犬组织变形时正常工作。基于柔性连线力学设计，通过先进的柔性电子制备工艺实现该监测系统的小型化、轻量化与柔性化。可以有效掌握警犬的实时位置、运动路径、速度曲线以及加速度曲线等数据。

但针对柔性器件在犬类应用的问题仍然面临一些亟待解决的问题：一是柔性电子器件能够和人体皮肤实现紧密贴合，但是犬类身体覆盖茂密的毛发，为一些需要紧密贴合的生理信号监测提出了挑战。二是相对于人类而言，警犬体型更小，运动幅度更大，需要监测装置尽可能轻型化与柔性化，以减小对警犬运动的影响。三是监测器在集成与柔性化后，其探测精度与刚性器件是否有较大变化，是这种新型技术能否应用的重要挑战。