基于多元空間信息技術(shù)集成的警員保護(hù)系統(tǒng)

苗常啟 周興旺 張瀚文 張 磊 王金鑫

(鄭州大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,社會環(huán)境與矛盾也日益復(fù)雜,刑事案件中的惡性襲警事件頻繁發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì),2010—2015年,我國公安機(jī)關(guān)因公犧牲的民警有2 567人,負(fù)傷25 340人,其中,暴力襲警引起的傷亡人數(shù)占總數(shù)的42.8%[1]。2016年,全國因公犧牲民警362人、受傷民警4 913人[2]。2018年7月25日至8月6日,在不到半個(gè)月的時(shí)間內(nèi),全國發(fā)生多起持刀襲警、暴力抗法、咬傷民警等襲警辱警事件10余起,造成3名民警輔警犧牲、數(shù)名民警輔警受重傷或輕傷[3]。警務(wù)人員被突然襲擊時(shí),因防護(hù)系統(tǒng)問題、增援不及時(shí)或不能及時(shí)得到具體位置,最終釀成悲劇的例子數(shù)不勝數(shù)。衛(wèi)星定位是當(dāng)代空間科技的制高點(diǎn)。2020年7月底,我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)正式開通,面向全球提供定位導(dǎo)航授時(shí)、全球短報(bào)文通信、國際搜救、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報(bào)文通信七種服務(wù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)是通過測量速度和加速度等參數(shù),并對測得參數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算,實(shí)時(shí)獲取物體的位置和速度信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常內(nèi)置在待測物體中,通過自身傳感器獲得待測信息,不依賴于衛(wèi)星等外部條件,對外界變化不敏感[4]。與此同時(shí),我國也在快速發(fā)展具有專業(yè)性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)的生物傳感器,并加速推進(jìn)其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。深度學(xué)習(xí)(Deep Learning)是建立在計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和機(jī)器學(xué)習(xí)理論上的系統(tǒng)科學(xué), 它使用建立在復(fù)雜的機(jī)器結(jié)構(gòu)上的多處理層, 結(jié)合非線性轉(zhuǎn)換方法算法, 對高層復(fù)雜數(shù)據(jù)模型進(jìn)行抽象[6]。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、深度學(xué)習(xí)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)等技術(shù)的有機(jī)結(jié)合下,研究開發(fā)自動化、智能化的執(zhí)法人員保護(hù)系統(tǒng)已迫在眉睫。本系統(tǒng)致力于建成一個(gè)警員之間相互聯(lián)系的防護(hù)系統(tǒng),解決警員之間增援遲緩問題。在一人被襲擊時(shí),其他聯(lián)動警員能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情,并趕赴現(xiàn)場進(jìn)行支援,從而有效保障警員的安全。

1 系統(tǒng)總體框架與運(yùn)行機(jī)制

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)以手機(jī)和警員警靴為載體,結(jié)合衛(wèi)星定位、網(wǎng)絡(luò)通信、GIS等技術(shù),形成了一套有機(jī)的警員保護(hù)機(jī)制。該系統(tǒng)可分為以下幾部分:警員警靴、手機(jī)端應(yīng)用程序(Application,APP)、數(shù)據(jù)庫和控制中心。警靴負(fù)責(zé)警員身體指標(biāo)的采集及與警員手機(jī)的連接;APP負(fù)責(zé)對警員警靴發(fā)送的身體指標(biāo)進(jìn)行綜合處理、向其他警員和控制中心傳送信息以及路線的規(guī)劃和可視化;數(shù)據(jù)庫主要用于存儲系統(tǒng)所用的空間信息和屬性信息;控制中心則對警員進(jìn)行整體的部署調(diào)度。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

系統(tǒng)運(yùn)行路線分為三部分,分別為預(yù)警階段、警報(bào)處理階段以及事后處理階段。

1.2.1預(yù)警階段

警靴通過北斗芯片自動定位,向控制中心發(fā)送實(shí)時(shí)位置信息,并通過藍(lán)牙模塊,將所測得的警員身體相關(guān)參數(shù)發(fā)送給自身的手機(jī),由手機(jī)對所接受到的信息做出以下處理:

(1)主動判斷

警員判斷自身處于危險(xiǎn)狀態(tài),做出特定動作,觸發(fā)交互模塊。手機(jī)接收到模塊狀態(tài)變化信號后,立即向控制中心報(bào)警,并向其他警員發(fā)送求助信息。

(2)水平儀自動判斷

警員受到襲擊倒地時(shí),則利用警靴中的水平儀觸發(fā)警報(bào)。此時(shí)數(shù)字水平儀所測得的參數(shù)將超過手機(jī)設(shè)定的度數(shù)范圍(時(shí)長3 s左右),使手機(jī)向周圍關(guān)聯(lián)警員和控制中心發(fā)出求救信號。

(3)專家系統(tǒng)自動判斷

手機(jī)端未接收到警員做出主動動作的信號,且未觸發(fā)水平儀警報(bào)時(shí),則通過對警員的身體指標(biāo)進(jìn)行判斷。若通過處理警員的心率、血壓、血氧等綜合信息發(fā)現(xiàn)警員處于危險(xiǎn)狀態(tài),則在手機(jī)端進(jìn)行報(bào)警。

1.2.2警報(bào)處理階段

當(dāng)警員遇險(xiǎn)且系統(tǒng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí),其他警員根據(jù)控制中心的調(diào)度安排,快速抵達(dá)事發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行救援。此時(shí)警員的手機(jī)為可視化的工具,即在手機(jī)端APP中,顯示抵達(dá)危險(xiǎn)警員所在地的最佳路線。

1.2.3事后處理階段

數(shù)據(jù)庫存儲報(bào)警時(shí)警員的位置信息和身體狀態(tài)信息。險(xiǎn)情解除后,對是否誤報(bào)進(jìn)行評價(jià)。并運(yùn)用報(bào)警過程中警員的身體體征,對警員個(gè)人報(bào)警算法參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,由此減少誤報(bào)概率,提高報(bào)警精度,形成“私人訂制”系統(tǒng)。系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 警員警靴設(shè)計(jì)

警靴由微控制單元(Micro Control Unit,MCU)、心率傳感器、體溫傳感器、血壓傳感器、數(shù)字水平儀、藍(lán)牙模塊、互聯(lián)網(wǎng)模塊、電池模塊、電路模塊等組成。警員警靴構(gòu)成如圖3所示。

圖3 警靴構(gòu)成圖

警靴芯片采用MT2503芯片[7],該系列芯片是一個(gè)高度集成且面積極小的SiP(System in Package)。它具備Bluetooth 3.0、2 G基帶、且支持雙星系統(tǒng)[7]。將該模塊用于警靴的設(shè)計(jì),可同時(shí)支持藍(lán)牙3.0和互聯(lián)網(wǎng)模塊,為警靴功能的高效實(shí)現(xiàn)提供了便利。處理器為ARM7EJ-STM核心,具有內(nèi)嵌內(nèi)存,常用于穿戴設(shè)備、物流和行動追蹤設(shè)備等方面。

心率傳感器是監(jiān)測個(gè)人心率的傳感器。測量心率的方法采用光電容積脈搏波描記法(Photo Plethysmo Graphy,PPG)。這是一種將光照進(jìn)皮膚來測量因血液流動而產(chǎn)生的光散射的方法,也是市面上大部分可穿戴設(shè)備使用的測量心率的方法。當(dāng)血流動力發(fā)生改變時(shí)(如心率或血容積發(fā)生變化),進(jìn)入人體的光會發(fā)生可預(yù)見的散射,通過測量穿透血液的不同光線的衰減程度,再利用血氧(HbO2)和血紅蛋白(Hb)對紅光和紅外光的吸收率各不相同的特征,可以算出他們在血液中的含量,并以此來測量脈搏特征[8]。這種探測方法操作簡單、性能穩(wěn)定且適應(yīng)性強(qiáng),但消耗能量較多,且測量結(jié)果和實(shí)際值有一定誤差[9]。

數(shù)字水平儀是基于傳感器、數(shù)字信號處理、MCU技術(shù)的儀器,是當(dāng)前傾角測試儀器數(shù)字化發(fā)展的方向,能夠測量儀器測量面與水平面的傾角,并以數(shù)字信號的方式傳遞給微控制單元。該模塊可采用分辨率高、能耗低的ADXL345三軸加速度傳感器[10]模塊。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng),是解決室內(nèi)導(dǎo)航和GNSS信號弱的情況下精確導(dǎo)航問題的較為成熟的系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航可采用運(yùn)動跟蹤模塊制造商Xsens公司推出的MTi-680G模塊。其集成內(nèi)部實(shí)時(shí)動態(tài)(Real-Time Kinematic,RTK)功能可將標(biāo)準(zhǔn)商用GNSS接收機(jī)中的最大定位誤差從1 m降低到0.02 m,具有厘米級精確定位功能,包含RTK GNSS接收器以及同步的三維姿態(tài)和航向輸出[4]。

藍(lán)牙模塊采用JDY-30模塊,該模塊基于藍(lán)牙3.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),其傳輸通信頻率為2.4 GHz,采用無線通信方式,廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備之間的短距離、高速數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)具有傳輸穩(wěn)定,能耗低的優(yōu)點(diǎn)[11]。

2G模塊選擇較多,例如可靠性高、穩(wěn)定性和接口通用性強(qiáng)的中興MG2639模塊[12]。該模塊支持全球移動通信系統(tǒng)/通用無線分組業(yè)務(wù)+全球定位系統(tǒng)+北斗功能,且支持短信、數(shù)據(jù)、電話本等功能,被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、安防監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域。

交互模塊為按鍵控制的獨(dú)立電路。即微控制單元中獨(dú)立的控制分支,當(dāng)按下按鍵時(shí),促使手機(jī)端向外傳輸特定信息進(jìn)行報(bào)警。

2.2 手機(jī)端功能設(shè)計(jì)

手機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力,在手機(jī)端完成警員身體指標(biāo)的接收和處理是很好的選擇。除去登錄、修改密碼、修改個(gè)人信息等基本操作之外,手機(jī)端主要完成以下功能。

2.2.1信息處理功能

在警員有危險(xiǎn)時(shí),手機(jī)將對警靴發(fā)送的信息進(jìn)行處理,并傳輸信號給附近的警員和控制中心,且在控制中心的系統(tǒng)將該警員標(biāo)記為報(bào)警狀態(tài),以供人員安排調(diào)度。

2.2.2取消求救功能

在危險(xiǎn)情況解除后,或者系統(tǒng)誤報(bào)危險(xiǎn)情況時(shí),警員可通過手機(jī)端APP進(jìn)行操作,解除報(bào)警狀態(tài),停止心率血壓信息的儲存,轉(zhuǎn)為正常監(jiān)測狀態(tài)。

2.2.3可視化功能

附近警員接到遇險(xiǎn)警員的警報(bào)信息后,手機(jī)端APP會對遇險(xiǎn)警員的附近警員在地圖上安排路線,并提供導(dǎo)航,以便其快速抵達(dá)現(xiàn)場。同時(shí)手機(jī)端還可以可顯示警員自身以及其他關(guān)聯(lián)警員的身體狀況和警報(bào)情況。

2.2.4私人定制功能

警員在APP中有屬于個(gè)人的賬號信息。在系統(tǒng)處于警報(bào)狀態(tài)時(shí),APP會記錄并儲存報(bào)警過程中心率、血壓等各項(xiàng)參數(shù),在報(bào)警解除后,各項(xiàng)數(shù)據(jù)與個(gè)人賬號綁定,存入數(shù)據(jù)庫,通過人工智能深度學(xué)習(xí)算法,自動調(diào)整個(gè)人警報(bào)參數(shù)范圍,從而達(dá)到警員個(gè)人定制身體參數(shù)范圍需求。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

存儲和管理空間數(shù)據(jù)是GIS的核心任務(wù)之一[13]。本系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)引擎存儲管理空間信息和屬性信息?？臻g數(shù)據(jù)包含地圖背景數(shù)據(jù)、警員的實(shí)時(shí)位置信息和一段時(shí)間尺度內(nèi)警員遇險(xiǎn)的位置信息;屬性信息則包含警員的姓名、性別、年齡以及身體的各項(xiàng)指標(biāo)。

2.4 控制中心設(shè)計(jì)

控制中心處于本系統(tǒng)的核心位置,位于警局的指揮中心。可顯示各個(gè)警員的實(shí)時(shí)位置,并對他們進(jìn)行調(diào)度指揮。當(dāng)某個(gè)警員發(fā)出警報(bào)信息后,控制中心會自動將該警員的圖層改為特殊標(biāo)記,將其和其他警員區(qū)分開,并做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)度決定?？刂浦行目蓪?shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)庫中的信息,通過一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用,對警員安全事故多發(fā)區(qū)進(jìn)行等級劃分,進(jìn)而有效預(yù)防警員安全事故。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 位置信息獲取及警靴建模

北斗警靴采用北斗芯片進(jìn)行定位。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位,可用精度10 m,測速精度0.2 m/s,授時(shí)精度10 nm/s,足以滿足該系統(tǒng)的需求。當(dāng)警員處于室內(nèi)或GNSS信號弱時(shí),采用BDS和INS來完成準(zhǔn)確的定位。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可對BDS的定位精度進(jìn)行提升,且可在短時(shí)間BDS信號中斷期間,提供精確的定位。

警靴建模示意圖如圖4所示。警靴中的單片機(jī)集成模塊包含MT2503芯片、ARM7EJ-STM核心、三軸加速度傳感器ADXL345模塊、2G通信模塊以及慣性導(dǎo)航模塊。ADXL345模塊位于鞋底,能夠測量不到1.0度的角度變化,警員正常水平站立時(shí),該模塊與水平地面平行,所測度數(shù)為0度。藍(lán)牙以及電池模塊,亦位于鞋底。心率血氧傳感器、血壓傳感器和體溫傳感器位于腳踝或腳面與身體密切接觸處,以便測得較為準(zhǔn)確的身體指標(biāo)。交互模塊位于鞋子后跟上方,該位置日常生活不易觸及,在緊急且有反映時(shí)間的情況下,可通過觸發(fā)此按鍵進(jìn)行警報(bào)。

圖4 警靴建模示意圖

3.2 數(shù)據(jù)存儲與處理

數(shù)據(jù)的存儲采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。隨著系統(tǒng)運(yùn)營時(shí)間的增加,數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)規(guī)模也越開越大,這對服務(wù)器硬件的要求就更加嚴(yán)格,一旦服務(wù)器設(shè)備無法承受數(shù)據(jù)庫的工作,將可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此，服務(wù)器建議采用支持系統(tǒng)多、存儲穩(wěn)定性良好的MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,從而達(dá)到滿足長期運(yùn)行且讀寫操作不易出現(xiàn)錯(cuò)誤的目的。

警員的實(shí)時(shí)位置和身體體征信息數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端,經(jīng)由手機(jī)接收并解譯,對不同情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和存儲。手機(jī)端得到警靴所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后(包含心率、數(shù)字水平儀度數(shù)、身體溫度、血氧含量、特殊警報(bào)等),通過預(yù)先設(shè)計(jì)的算法,實(shí)現(xiàn)上述三種情況的求救。

3.3 專家系統(tǒng)和參數(shù)的自我更新

專家系統(tǒng)是系統(tǒng)是否準(zhǔn)確報(bào)警的關(guān)鍵之一。警員受到襲擊(未倒地),且未使用觸發(fā)交互模塊時(shí),手機(jī)端可通過對心率、血壓、體溫、血氧的監(jiān)測,判斷是否發(fā)出求救信號。

該算法對警員當(dāng)前處于危險(xiǎn)的狀況進(jìn)行預(yù)測,分為三步。第一步,利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Networks,DNN)對警員身體指標(biāo)信息總數(shù)聚集進(jìn)行訓(xùn)練得到權(quán)重參數(shù)W1;第二步,利用DNN對警員個(gè)人數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練得到權(quán)重參數(shù)W2;第三步,從總數(shù)據(jù)集和個(gè)人數(shù)據(jù)集中各選取n條數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)集,利用前兩步訓(xùn)練得到的權(quán)重參數(shù)W1和W2,分別計(jì)算出警員目前處于危險(xiǎn)的概率X1和X2,并組成新矩陣[X1,X2],同時(shí)把2n條數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)狀況作為訓(xùn)練集,利用logistic模型進(jìn)行訓(xùn)練得出權(quán)重參數(shù)W3。當(dāng)手機(jī)端得到警員的身體特征數(shù)據(jù)時(shí),分別利用權(quán)重W1和W2計(jì)算出兩個(gè)警員處于危險(xiǎn)狀態(tài)的概率數(shù)據(jù),帶入W3權(quán)重參數(shù)中,輸出警員此時(shí)處于危險(xiǎn)的概率y,判斷警員狀態(tài)。該算法利用了個(gè)人數(shù)據(jù)集對訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行糾正,在理想狀態(tài)下,系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測,可自動將參數(shù)調(diào)整至合適范圍,相當(dāng)于為每一位警員量身定做一套個(gè)人系統(tǒng)。算法流程如圖5所示。

圖5 深度學(xué)習(xí)算法流程圖

3.4 手機(jī)端軌跡分析及可視化

軌跡分析和路徑可視化是找到遇險(xiǎn)警員運(yùn)行軌跡和到達(dá)遇險(xiǎn)警員位置的關(guān)鍵部分。GIS的核心功能就是空間分析,利用GIS配合遇險(xiǎn)警員的位置信息進(jìn)行時(shí)空位置分析,找到其位置,并規(guī)劃出周圍警員到達(dá)遇險(xiǎn)警員的路徑,是本系統(tǒng)中GIS的核心作用。手機(jī)端APP可調(diào)用百度地圖的應(yīng)用程序接口,進(jìn)行地圖顯示,并運(yùn)用GIS進(jìn)行路徑規(guī)劃。在本系統(tǒng)的地圖中,可加入警員可翻越的矮墻等數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行可視化,方便周圍警員通過更短的路徑到達(dá)遇險(xiǎn)警員的所在地,進(jìn)而節(jié)省時(shí)間。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于北斗、慣性導(dǎo)航、傳感器技術(shù)、深度學(xué)習(xí)、GIS和具有可穿戴終端的警員聯(lián)動保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對警員的各項(xiàng)身體指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,建立一個(gè)個(gè)性化的生理指標(biāo)體系,并通過深度學(xué)習(xí)建立判斷警員是否受到襲擊的模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了警員安全的智能保障。在終端警靴部分,通過北斗獲取警員位置,通過傳感器獲取警員的身體體征和運(yùn)動狀態(tài),通過藍(lán)牙和2G模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,并結(jié)合手機(jī)端APP進(jìn)行報(bào)警;在數(shù)據(jù)處理部分,本系統(tǒng)對每次事故參數(shù)進(jìn)行記錄,并運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法自動矯正系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù),最終可實(shí)現(xiàn)量身定制;GIS在系統(tǒng)中被用于進(jìn)行可視化和路徑規(guī)劃;而控制中心則可基于提供的決策級數(shù)據(jù)進(jìn)行總體指揮。本文設(shè)計(jì)的警靴具有不易損壞,且空間充足的特點(diǎn),為各項(xiàng)儀器提供了較為穩(wěn)定的環(huán)境和充足的空間。本設(shè)計(jì)對廣大執(zhí)法人員的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控與管理具有重要的實(shí)用價(jià)值。

在本系統(tǒng)中存在的問題:第三種警報(bào)方式所涉及的專家系統(tǒng)精度有待提升。此處利用深度學(xué)習(xí)算法,對警員的體征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,判斷其所處狀態(tài),以達(dá)到警報(bào)目的。但目前對人體腳部體征測量的生物傳感器的精度有待提高;同時(shí)若要達(dá)利用警員體征數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確警報(bào)的效果,系統(tǒng)需要對警員個(gè)人體征數(shù)據(jù)進(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)測,不能達(dá)到“即用即準(zhǔn)確的效果”。