冯茹荔 刘迪 张娟 马赛

摘 要 为适应新形势下海关监管工作的需求，本研究研发了一款能够辅助海关关员进行登临检疫工作的远程登临一体化检疫查验机器人。该机器人配备3D环视、远程控制、实时记录、红外测温、5G通信以及遥控识别等先进技术，可快速准确地检测并识别潜在风险。此项研究可减少现场登临关员的人数，优化人力资源配置，降低在高风险环境中人员作业导致的感染风险，极大地增强了登临检疫查验工作的安全性。

关键词 机器人；远程监控；海关监管；登临检疫

Application of Integrated Remote-Operated Boarding and Quarantine Service Robots in Customs Control

WANG Yi-Kai¹ WANG You-Fu² WANG Zhun³ DU Zhi-Xin⁴

LI Lan⁵ ZHAO Xiao-Juan¹ SONG Yue-Qian^6* CHANG Liang^1*

Abstract To meet the evolving needs of customs control, this study has developed an integrated remote-operated boarding and quarantine service robot designed to assist customs officers in conducting quarantine inspections. Equipped with advanced technologies such as 3D panoramic view, remote control, real-time recording, infrared thermometry, 5G communication, and remote identification, the robot can rapidly and accurately detect and identify potential risks. This innovation reduces the number of on-site quarantine officers required, optimizes human resource allocation, and minimizes the risk of infection associated with manual operations in high-risk environments, thereby significantly enhancing the safety and efficiency of boarding quarantine inspections.

Keywords robots; remote monitoring; customs control; quarantine by boarding

基金项目：海关总署科研项目（2022HK143，2022HK146）

第一作者：王艺凯（1982—），男，汉族，北京人，硕士，高级工程师，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: wang yikai_2001@163.com

通信作者：宋悦谦（1972—），男，回族，北京人，硕士，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: songyueq@263.net

共同通信作者：常亮（1971—），男，汉族，黑龙江双鸭山人，硕士，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: 511486281@qq.com

1. 中国海关科学技术研究中心 北京 100026

2. 大连海关技术中心 大连 116001

3. 长春海关技术中心 长春 130062

4. 南宁海关技术中心 南宁 530000

5. 阿拉山口海关技术中心 阿拉山口 833418

6. 石家庄海关 石家庄 050051

1. Science and Technology Research Center of China Customs, Beijing 100026

2. Dalian Customs Technical Center, Dalian 116001

3. Changchun Customs Technical Center, Changchun 130062

4. Nanning Customs Technical Center, Nanning 530000

5. Alashankou Customs Technical Center, Alashankou 833418

6. Shijiazhuang Customs, Shijiazhuang 050051

中国口岸科学技术

航空口岸进出境人员流动性高、聚集性强，货物价值高、时效性强，进出境航班在港时间短、中转效率高，在口岸公共卫生、货物安全、航班通关效率等方面给海关登临检疫和监管效能提出较高要求。海关登临检疫查验是指海关依法对进出境航空器以及所载人员、货物、物品等实施的检查、监督等执法行为，具有多方面的必要性^[1]，能够维护国家安全，减少违法犯罪的发生，有效阻止枪支、弹药等危险物品对国家安全构成威胁^[2]；同时可以通过对乘客进行健康检查，防止传染病通过航空运输在国内外传播，维护公众健康和公共卫生安全^[3]。此外，还能够打击走私行为、监管贸易活动，确保进出口货物符合国家的贸易政策和法规，防止虚假申报、偷逃关税等行为，保护国家的经济利益和国内市场的正常秩序，维护公平的贸易环境^[4]。

1 传统远程智能登临检疫查验

随着全球贸易的持续增长与航空旅行的日益频繁，海关登临检疫查验作为确保国家安全与贸易合规的关键环节，工作量持续增加，面临着效率提升与人力优化的双重挑战^[5-6]。传统的海关查验主要依赖两名执法人员登临执行，这一模式在应对复杂多变的环境时，不仅耗时费力，且在深入狭窄或高风险区域时存在诸多不便^[7]。鉴于此，开发一套远程登临一体化检疫查验机器人显得尤为重要。本研究旨在通过集成先进技术与智能算法，实现“一人现场操作+一人远程监控”的协同作业新模式，既保证了海关监管的合规性，又能提升监管效能和降低人员风险，还可以发挥机器人操作的精准性和标准化^[6-8]。该系统能适应航空器上人员检疫、卫生监督、动植物检疫、检疫处理监督、货物检查监管等航空器监管全流程、多场景。本研究不仅是对现有海关查验流程的一次重大突破，更是构建高效、安全、智能海关监管体系的重要一步，更有利于推动全球贸易便利化与加强安全保障。

2 远程登临一体化检疫的定义和系统设计

远程登临一体化查验机器人^[9]，该设备包含小型多功能底盘、机械臂升降检查载荷、操控箱控制器等。其中，小型多功能底盘和机械臂升降检查载荷装配组成了机器人本体，底盘为履带式带辅助臂底盘，机械臂升降检查载荷固定在底盘上。整机配备行进云台摄像头，辅助机器人行进和观察，图1所示的是机器人本体。

图1 机器人结构图

Fig.1 Structural diagram of the robot

图2所示的是操控箱控制器，图中上半部分（箱盖部分）的显示屏高清显示摄像头拍摄的视频内容，下半部分是控制机器人的操控面板。

通过操控箱控制器可实现远程遥控机器人上下楼梯、高处行李架视觉观察、低处脚下视觉观察及环视查看等功能。

图2 操控箱控制器

Fig.2 Control box controller

3 远程登临一体化检疫查验机器人关键技术实现

3.1 行进动力计算

机器人行进机构采用履带结构，履带位于移动平台的两侧，每侧履带各由一个电机驱动，通过电机不同方向的转动，实现平台的前进、后退、左右转向。其结构如图3所示。

图3 移动平台结构示意图（除去机械臂和支臂）

Fig.3 Schematic diagram of the mobile platform (excluding robotic arms and support arms)

根据要求可知，选定最大行驶速度不小于1.5 m/s，初选履带主动轮直径为180 mm，转换到履带主动轮上的速度为2.65转每秒，即159 rpm。机器人自重m控制在41.5 kg以内。整个机器人的行进驱动，在使用过程中底面与机器人底盘的摩擦系数μ = 0.2。机器人在匀速前进过程中，加速度a为0，达到最大速度所需要的功率的计算见公式（1）：

(1)

为重力加速度，取9.8 m/s²。传动系统效率为80%，所以行进电机输出的最低功率为152.5 W。

爬坡要求不低于35°，没有提出爬坡时的速度要求，则选用较低的速度为0.5 m/s，爬坡时所需要的功率的计算见公式（2）：

(2)

传动系统效率为80%，所以行进电机输出的最低功率为187.5 W。在使用过程中需要考虑行进过程中的风阻、电损耗等能量损失、加速度功率以及尽可能的超越指标的设计理念，所以初选额定功率为200 W的直流电机（工作温度-40～75℃），其参数见表1。

表1 行进电机参数

Table 1 Parameters of the traveling motor

当机器人在水平地面移动时，电机前进的牵引力减去地面对底盘提供的摩擦力等于机器人自重m与加速度a的乘积，计算见公式（3）：

(3)

当机器人在水平地面匀速移动时，地面对底盘提供的摩擦力等于电机前进的牵引力，计算见公式（4）：

(4)

主动轮半径r = 0.09 m，则主动轮所需扭矩为= 81.34×0.09 = 7.32 N·m。

由表1的电机参数可知，电机的额定转速为5970 rpm，履带主动轮所需转速为159 rpm，则总的减速比最大为。

当机器人在爬坡时，电机前进的牵引力大于斜坡对底盘的摩擦力，与机器人在平行于斜坡方向的分力的和计算见公式（5）：

(5)

由公式（5）计算得牵引力：

(6)

则主动轮所需扭矩为：

= 300×0.09 = 27 N·m (7)

由表1电机参数可知，电机的额定转矩为640 mNm，底盘前进为双电机驱动，共可输出转矩1280 mNm，即1.28 N·m，而根据上式（7），爬坡所需扭矩为27 N·m，则总的减速比最小为，依据以上扭矩的计算方式，得出在额定工作状态下，减速比为21才能满足扭矩要求。综上所述，实际减速比大于最大扭矩减速比，小于最大速度减速比，即21＜i＜38。而机器人实际工作环境会更加复杂，对于扭矩的需求远大于速度的需求，在满足速度的基本需求的情况下，保证机器人拥有足够的动力，确定减速比接近38。根据机器人结构设计和减速器的组合比较，确定减速器为2级减速器，减速比i = 21，在侧立板内设计减速比为1.75的齿轮组，用于非同轴传力。因此，最终减速比为i = 21×1.75 = 36.75。以此反算电机是否满足使用要求。传动系统效率为80%，对应的实际转矩为。根据表1的电机参数可知，电机的扭矩常数为68 mNm/A，额定电流9.36 A，额定扭矩为640 mNm。则电机达到460 mNm时所需要的电流。电机动力储备丰富，可以应对更复杂的环境。

机器人电机额定转速5970 rpm，减速比i = 36.75，主动轮直径d = 180 mm，所以，机器人的最大理论速度按公式（8）计算所得：

v = 3.14 d/i == 1.53 m/s

(8)

因路况等不同，机器人电机实际带载情况下额定转速略有降低，最终实测机器人的最大速度为1.52 m/s。

3.2 爬坡爬楼设计

机器人重心位置靠前，同时依靠支臂的前伸和收拢以及机械臂的不同姿态，可调节机器人重心，实现大角度爬坡、爬楼梯、越壕等。

机器人行进电机动力储备丰富，通过计算可得出机器人爬坡能力。已知参数：电机输出额定扭矩为640 mNm；减速比i = 36.75；主动轮半径r = 0.09 m；行进电机数量为2；根据上述参数可得电机可提供的驱动力：

= 2×0.64×36.75/0.09 = 522 N (9)

根据公式（9）可计算在522 N的驱动力下，机器人可爬坡的角度，计算如公式（10）：

= 41.5×9.8×() (10)

可得到爬坡角x = 50°，电机动力充足，需要考虑机器人是否会倾翻。对机器人进行受力分析，确定机器人爬坡、爬楼梯角度。爬坡角度工况如图4所示。借助三维工程软件，计算出的重心在外廓线之内，不满足倾翻条件，所以机器人可以爬50°坡和楼梯。实际操作过程中因为不同路面和履带接触面积不同，摩擦系数有变化，机器人实际可爬坡40°，爬楼梯35°。

图4 机器人爬楼测试

Fig.4 Stair climbing test of the robot

3.3 机械臂升降装置计算及电机选型

机械臂升降装置固定在机械臂管上，采用电机、减速器配蜗轮蜗杆减速器的驱动方案。减速器连接转盘，拉紧钢丝绳控制装置升降。升降装置7.86 kg，驱动转盘直径20 mm，旋转轴到施力点的距离s为0.1 m，驱动升降装置的扭矩为。选用电机（工作温度-20～75℃）参数见表2。

表2 3570电机性能参数表

Table 2 Performance parameters of motor 3570

选用量能减速器p32h-66，减速比为66，传动结构选用高比例双曲线齿轮减速比为10，总减速比为660。传动过程的总效率为60%，则大臂关节驱动电机作用在关节臂上的转矩。，选用电机能够达到使用要求。

基于上述关键技术的攻关与验证，本研究团队成功研制出兼具高速运行与高负载能力的远程登临一体化检疫查验机器人。该设备通过履带式底盘设计与多自由度机械臂协同控制，实现了对复杂非结构化地形（如楼梯、斜坡及狭小空间）的卓越适应能力，可精准完成航空器舱内检疫、货物查验及环境监测等全流程任务，为口岸智能监管提供了高效可靠的解决方案。

4 结语

综上所述，远程登临一体化检疫查验机器人的研发与应用，标志着海关登临检疫工作向高效化、智能化迈出了重要一步。通过集成先进技术与智能算法，该系统不仅显著提升了登临检疫查验效率^[10-13]，降低了人力成本，还极大增强了作业安全性，减少了高风险区域的直接人员暴露。参照GJB 7688—2012《装备技术成熟度等级划分及定义》，其技术成熟度达到5级，充分验证了其在复杂环境下的稳定性和实用性，为构建更加高效、安全、智能的海关监管体系奠定了坚实基础。目前，该款机器人已在北京首都国际机场开展试用，未来将推广至其他国境口岸以及更多领域和场景中应用，为检疫查检工作带来更大的便利和显著效益。

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无人机技术 与海关智慧监管应用场景初探

苏一栋 ¹ 邹淑敏 ² 赵 辉 ¹ 何 健 ¹

摘 要 本文立足智慧海关建设全面实施阶段要求，从无人机技术入手，结合人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究新技术的海关应用场景。通过分析无人机的类型与特点，探索利用智能巡航、多机协作、多模态人工智能等手段，提升复杂监管环境下的综合应用能力，为物流监控、打击走私和检验检疫等业务提供支撑。另外，对构建低空监管体系进行探讨，为打造“海关新质监管力”提供参考。

关键词 无人机；人工智能；监管；应用

A Preliminary Exploration of Drone Technology and Its Application Scenarios in Smart Customs Supervision

SU Yi-Dong ¹ ZOU Shu-Min ² ZHAO Hui ¹ HE Jian ¹

Abstract Aligning with the requirements of the comprehensive implementation phase for smart customs construction, this paper starts from the drone technology and integrates with artificial intelligence (AI). By analyzing the types and characteristics of drones, the papaer explores to use intelligent patrols, multi-drone collaboration and multimodal AI, aiming to enhance comprehensive application capabilities in complex regulatory environments and providing support for logistics monitoring, anti-smuggling operations and quarantine services. The paper proposes the concept of building a low-altitude regulatory system to develop next-generation customs regulatory capabilities, thereby advancing the modernization of customs governance.

Keywords drone; artificial intelligence; supervision; application

作为新质生产力的代表，低空经济正成为培育发展新动能的重要力量。无人机产业是目前低空经济的主导产业，中国在无人机制造方面具有完整的产业链和明显的技术优势。与此同时，“人工智能+”行动持续推进，大模型的应用前景广阔，特别是随着自然语言处理、计算机视觉、智能协作等领域的突破性发展，未来无人机结合人工智能（Artificial Intelligence，AI）将为智慧海关建设提供更多理念创新、场景应用及解决方案，进一步为推动海关现代化提供“新质监管力”。此前，海关在无人机技术应用方面进行了一定的探索，在场所监管、水尺计重等领域已有初步应用。本文从智慧海关装备设施体系的构建要求入手，分析研究无人机技术如何实现“机器代人”，助力“顺势监管”和“无感通关”。

1 无人机与海关优选机型

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），简称无人机，是由无线电遥控或自主程序控制的不载人飞行器，主要组成部分包括飞行器、地面控制器和通信系统。

1.1 无人机的分类

无人机由于种类繁多、用途特点鲜明，致使其在外形尺寸、航程距离、飞行参数、作业任务等多方面都有较大差异，从飞行平台构型看，主流类型有以下两大类：

（1）固定翼无人机。机翼固定不变，靠流过机翼的风提供升力，起飞和降落需要长跑道进行助跑或减速滑行。固定翼无人机续航时间长、飞行效率高、载荷大，但操作难度大，飞行平台要求高，不能悬停，适合远距离连续工作。

（2）多旋翼无人机。由螺旋桨产生向上的升力，带动无人机整体进行飞行的无人机。多旋翼无人机具有3个及以上的旋翼轴，常见有四轴、六轴、八轴。多旋翼机械结构简单，可折叠、垂直起降、可悬停、对场地要求低，但续航时间较短、载荷小。

除了技术上的分类，按使用场景可分为消费级无人机和行业级无人机。消费级无人机一般面向终端消费者，大多数以航拍为主要应用，注重娱乐体验。行业级无人机作为生产力工具，主要为提高各行业中的作业效率、降低作业成本，机型选择及性能侧重点有所不同，但总体上对稳定性、可靠性、耐久性与续航的要求都较高^[1]。

1.2 无人机的特点

无人机的快速发展一方面取决于无刷电机、动力电池、飞控导航技术的不断发展，另一方面与其不断优化、适应各类需求的特点分不开。具体而言，有6个特点：一是高效便捷。无人机可以代替传统人工作业，大幅缩短时间和人力成本，提高工作效率。例如，在农业领域，无人机可以对农作物进行监测，根据具体状态进行智能浇水和喷药，大大提高了种植效率。二是灵活机动。无人机和传统飞机相比具有更高灵活性的特点，可以轻松适应各种复杂的作业环境。例如，在救援领域，无人机可以迅速到达灾区，并进行物资投放和救援工作。三是远距离作业。无人机可以在不同地域和地形进行各种作业，例如在极地、海洋等难以到达的地方进行勘测和监测。四是环保节能。无人机的工作过程，主要采用电力集成，能有效减少化石燃料的使用，降低二氧化碳的排放，符合绿色环保的要求。五是多功能性。无人机因其强大的扩充性，可搭配各种挂载设备，应用范围非常广泛，可以应用于农业、环保、救援、安保、航空等领域。例如，在安防领域，无人机可以在空中进行监测和巡逻等任务。六是自主控制。无人机通过无线电通信、遥控器和卫星导航系统等技术，可以实现自主飞行、巡路、起降、巡航和降落等功能。

1.3 适宜海关的机型选择

未来无人机必定因用途不同而呈现更加差异化的特点，而海关因监管任务不同对无人机的机型选择也不尽相同。总体来说，多旋翼无人机因其灵活的操作、丰富的挂载扩充、较低的成本，可以满足日常大部分监管场景。而特殊执法作业，或需要远距离、大范围、长时间连续工作的情况，则需选用匹配的固定翼无人机。

2 无人机技术在海关智慧监管中的应用

2.1 基于巡航监控的监管场景

海关监管作业场所和特殊监管区域的巡查是日常监管的重要环节，依托海关关员现场实施。根据监管要求，巡查的频率周期、辖区覆盖面、检查内容都有明确的要求，但由于人力、时限、雨雪天气等不确定因素影响，巡查效率有待进一步提升。同时，单个场所因场地大小、围网长度、摄像头数量、货物存放条件等，全部兼顾巡查要点有一定的难度，因此，亟需高效的智能化辅助手段，提升巡查的实效。

启用无人机航拍监控与AI智能巡航相结合的方式对监管区实施巡查。无人机依托全天候、高机动、图像实时回传等特性，扩大实时巡查范围，有效规避单一人工巡查耗时费力的问题；AI智能巡航自主规划巡查路径，动态设定巡查频次，通过自然语言处理技术，实现无人机语音指令控制，提升视频监控指挥中心处置效率，将定点视频监控变为“地巡”和“空巡”相结合，构建空地立体化防控网络。同时，由于小型无人机的轻便性，亦可作为单兵设备随身携带，拓宽巡查视角，补充现场关员看不到、看不清的角度，避免巡查“死角”出现。

基于航拍的监管场所巡查应用，还可以衍生出多场景应用。具体如下：

（1）弥补常规监控盲区。例如，进境修造船的外档监测，与一般码头不同，修造船码头往往多艘船舶同时作业，2艘以上待修船并排靠在一个泊位，外档的船舶无法被监控覆盖，存在料件上下船的盲区。而利用无人机的全视角能力，可以有效解决监管过程中的“盲区”问题，辅助AI图像分析，对异常人员上下船进行预警。

（2）特殊情事的监管延伸。例如，锚地作业监管延伸，某些大型海工装备因码头吃水等问题需在锚地装载，传统视频监控无法延伸，无人机可有效解决痛点，实时传输装载情况，留存理货视频证据。又如因特殊原因无法在监管场所内进行查验的货物，在满足监管条件出区查验的情况下，可通过无人机进行多角度监控过程，强化执法的安全性^[2]。同时，利用AI图像生成技术，对临时监管区域进行空间绘图模拟，规划监管路径，定制监管方案。

（3）进境动物隔离检疫健康监管。进境种马、种牛在完成采血、耳标登记、实验室血样检测后，必须在指定的隔离场所进行为期45 d的隔离检疫。其间驻场关员需要每天对动物实施健康监管，观察健康状况，并填写监管手册。利用无人机监控，可对隔离动物群体情况进行空中巡查，同传监测视频，保存影像证据，并挂载环境监测等设备，便于第一时间发现动物异常症状。

（4）复杂地理环境下的监管。我国幅员辽阔，各类地形众多，部分边境及多山地区监管力量的投送存在一定困难。例如，动植物产品出口需要加工厂申请注册登记，有些水果园、特色蔬菜基地依山而建，无法直观察看，周边环保条件印证不易。无人机技术无惧山峦起伏，海关工作人员可通过现场勘察与低空观测进行交叉印证，对果园面积、是否连片种植、周围环境污染等情况进行更为直接和客观的评估考核。同样地，在边关执法过程中，无人机一方面可以缓解人力不足的情况，增加巡查监管频次；另一方面，可以不受严峻地形的限制，在极端天气下利用AI画面补全技术，拓展监管覆盖面。

2.2 基于图像分析的监管场景

2.2.1 集装箱状态的精准监管

集装箱堆场是海关重点监管的场所之一，也是各口岸信息化、智能化程度相对较高的监管区。集装箱在完成运抵、理货之后，根据码头统一管理存放在指定区域。随着安全生产管理要求不断提高，尤其是涉及危险品、食品等货物的监管，对精准掌握集装箱存放状态提出了更高的要求。无人机技术的运用，可以对集装箱场地定制自动巡查方案，按照预先制定的区域和路线进行检查^[3]。利用AI图像分析技术，对涉危罐式集装箱、未放行箱、退运箱、无主箱等进行有效区分，可实现自动清点箱子数量、识别集装箱编号、观测封识及箱门连接处等重点部位，提高海关集装箱场地监管效率。同时，可通过图像差异进行深度学习，建立专属模型，常规巡查中重点区域的集装箱数量一旦变化，可根据箱体颜色、排列顺序、区域三维数据等图像参数迅速分析判断并进行预警。另外，无人机的辅助监管，不影响码头自身的集装箱管理运行，推动“无感监管”场景进一步落地。

2.2.2 散货堆存的智能监管

在海关监管实践中，干散货由于其无包装、难计量等特点，监管难度显著大于液体货、件杂货。在海关各类监管作业场所的管理中，集装箱堆场、储罐、筒仓等区域的智能化管理非常成熟，而干散货堆场的智能化水平则还有提升空间。干散货的堆存位置、形态、体积、重量、卸载或提取进度是海关关注的重要内容，也是海关监管的重点和难点^[4]。得益于无人机航空摄影测量技术和人工智能图像分析技术的飞速发展，破解此类难题成为可能。目前，航空摄影测量广泛应用于地形测绘、土地资源调查、地质灾害应急处理、城市数字化建设等方面，通过航拍能够真实记录和还原真实三维场景，提供精确的点、线、面、体积测量计算。无人机技术的应用，让面向低空遥感领域的航测有了发挥空间，其精确度高、便利性强、成本低廉、适用范围广等特点非常适用于海关干散货的动态监管^[5]。同时，利用深度学习技术，建立干散货图像动态分析模型，AI在干散货卸载、堆存过程中，自动判别其体积、重量，预警重要参数的动态变化，防止未放行的违规提离。无人机低空航测结合AI判图，也为应急指挥、物流监控等业务应用提供更多技术支撑，丰富处置方式。

2.2.3 船舶水尺的辅助观测

水尺计重是海关鉴定工作的内容之一，测算进出口大宗散装固体货物的重量，为海关征税、国际贸易结算提供依据。水尺计重是根据阿基米德定律，测定船舶装卸货前后的排水量之差，从而测定货物重量。观测船舶六面吃水是水尺计重中的基础环节，其观测的准确性直接影响最终计算结果。传统方法是检验人员换乘港口拖轮航行至船舶各吃水点逐次人工读取，水面的上下浮动使得读取环节受个人主观经验影响较大，而且鉴定现场无法复原、鉴定结果难以追溯^[6]。无人机技术的发展，为海关鉴定工作提供了更加安全便捷的方式。海关关员操作无人机悬停至船舶水尺标记处，几分钟即可完成水尺数据的采集工作，系统同步进行测算，不仅提高了效率，还降低了监测费用。同时，无人机的使用摆脱了传统方法用拖轮和攀爬软梯的限制，大大保障了人身安全。

2.2.4 有害杂草的智能监测

在外来有害杂草监测方面，关员需要对动植物及其制品进境码头、运输路线沿线、加工厂内外周边等地进行重点监测，并对疑似检疫性杂草进行鉴定。传统的监测办法仍然以人工踏查为主，费时费力，且在一些复杂的环境下难以开展监测工作，无法对有害杂草的分布及危害程度进行准确的定量评测。利用无人机低空机动，开展拉网式监测，采集影像片段和多光谱数据，依托AI图像技术分析明显不存在植物生长迹象的地区，设置无人机定期复看，减少人力浪费；如对影像存疑，结合有害杂草特征进行模糊判定，为人工踏查提供前期准备资料，大幅提升监测效率^[7]。

2.3 基于口岸安全的监管场景

2.3.1 口岸反恐场景的应用

以核辐射为例，对口岸海关监管场所进行常规辐射环境监测、违规放射性物质的快速定位，通常有固定或移动两种辐射探测方式。相比固定式测量，移动式测量可获得更多放射源有关信息，但由于监管场所内货物众多，地面空间有限，传统的车辆或人工移动能覆盖的探查路径有限，快速锁定放射源的难度较大^[8]。而无人机可有效避开地面复杂环境，通过挂载辐射探测设备和AI计算模块，对大面积货场抵近扫描监测，实现对放射性货物快速定位。结合无人机图传功能，将检测结果与现场影像图相结合，使定位结果更直观，更贴合实际场景。同时，关员远程操作，可远离放射源。通过不同挂载设备，还能对化学、生物有害因子进行探测，提升综合防控能力。

2.3.2 无人机打击走私的应用

海关在打击走私犯罪过程中会遭遇走私嫌疑人逃窜、走私地点远离大陆、夜间走私等各类突发情况，走私行为也越来越隐蔽。无人机的隐蔽性、多功能性能够给打击走私提供更多办法。例如，在打击走私油品过程中，走私嫌疑人往往临时关闭大船的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），利用夜间由小船驳油。利用无人机远程监视，隐蔽抵近侦察，搭配夜视和红外装备，拍摄走私过程，保留证据；AI还能实现多机协同与集群控制，通过群体智能算法协调多台无人机任务分配与编队飞行，跟踪嫌疑目标，绘制现场抓捕方案等。

2.4 基于送检时效的监管场景

在构建“无感通关”的过程中，通关时效是重要参考因素。其中，在口岸一线查验部门初筛设备的投入和实验室快速检测能力的建设中，无人机不受地形限制、高速飞行能力，将为样品检测提供更快、更便捷的通道，AI大模型为送样与检测计算最优实现方式，灵活配置资源，实现自动起降、余样计算、精准检测等。

2.4.1 远距离样本运送应用

不同口岸、不同商品对样品送检的需求不同，部分口岸坐落在交通不便的海岛、高海拔地区，或者特殊商品本地不具备检测能力，需异地送检。传统的人工送检耗时长，甚至有些地区需要周转交通工具，十分不便。固定翼无人机远距离投送能力，可以破解上述送样不便的难题，通过航线预设定，无人机可自主飞行，大大节约时间与人力成本，提升商品通关速率。

2.4.2 近距离采送样的应用

例如，在进境粮食的取制样、送样环节中，无人机可以充分为实验室检测争取时间。进境粮食采样需要采集船舱上、中、下不同深度、不同点位的样品，而样品采集完毕的时间与码头卸货速度成正比，传统方式都是由人工进行各点采集，全部采完封装送往实验室。整个过程依赖卸货速度，时间长，样本总量也偏重。利用无人机短距离快速往返的能力，由AI自主规划采样、送样任务，可以在表层采样完毕后即开始送样，实验室第一时间检测样品，在卸货过程中分批送、分批检，集约检测时间。同时，对装卸或检测过程中出现的不同情况，AI可及时调整策略，并主动预警，提升监管效率。

3 海关智慧监管应用无人机技术的必备因素

近年来，海关在无人机场景应用上不断探索，取得了一定的成效。随着“新质监管力”要求的不断提升，智慧化领域的逐步拓展，无人机技术亟待在智慧海关建设的框架下，建立统一的方案规划、技术路径和场景建设。

3.1 构建低空监管体系建设理念

无人机技术的发展与应用，对于海关监管不仅是单一的监管设备，而是打开了低空领域的监管通道。随着其他成熟航空技术的低空应用和各类“人工智能+”设备的搭载，无人机将作为重要的监管平台，丰富监管手段，填补监管盲区，优化监管流程。无人机具有“无感监管”的先天技术优势，因此，笔者建议围绕智慧海关建设要求，将搭建AI低空监管平台纳入智慧海关装备设施体系中，为海关现代化建设提供技术支撑。

3.2 完善监管流程和执法依据

随着《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》《无人驾驶航空器系统作业飞行技术规范》等法律法规、行业规范的执行，无人机在技术标准、操作规范、空域管理、数据使用和隐私保护等方面不断规范，有法可依。与此同时，笔者建议海关在低空领域，也需建立监管办法和操作标准，提升无人机监管的规范化水平。

3.3 加快专业人才培养

人才队伍建设是工作高效推进的保障。因此，笔者建议可根据情况，适时开展专业的无人机、人工智能融合培训，确保执法关员具备无人机基本操作技能和大模型使用知识。同时，进一步开展行业合作，强化场景应用攻关，深入技术交流，培养一支具有低空监管思维、扎实业务能力和精湛操作技能的专业人才队伍。

4 结语

随着无人机技术的成熟程度进一步增加，其全面覆盖、灵活机动、拓展丰富、成本低廉的特性，更有利于复杂监管环境下的综合应用，同时海关在人工智能领域的不断探索，将在数据、图像、行为分析等领域取得突破。本文尝试将无人机技术引入海关业务监管场景分析，相信随着未来低空监管体系的不断推进，人工智能技术的不断演化，更多应用场景的丰富，将为智慧海关建设带来更多理论参考与技术支撑。

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第一作者：苏一栋（1987—），男，汉族，江苏南通人，本科，主要从事科技管理工作，E-mail: nthg008@126.com

1. 南通海关 南通 226000

2. 佛山海关后勤管理中心 佛山 528000

1. Nantong Customs, Nantong 226000

2. Foshan Customs Logistics Management Center, Foshan 528000

海关监管无人车的研发及其应用研究

董昕伟 ¹ 王 伟 ¹ 戴 骏 ¹ 何 里 ¹ 江 果 ¹

摘 要 为提高海关监管效能，降低病原体、高温、粉尘、噪音等执法环境风险，保护监管现场人员身体健康，海关执法现场需要一款可搭载监管装备、防护用具，并能模仿人体查验动作的远程遥控监管无人车。重庆海关通过分析海关监管现场作业需求，结合现有载人监管车应用情况，将不限距离遥控驾驶、跟随避障、实时全局监控、机械臂抵近监控、机械臂搭载监管装备、音视频通话、数据存储和光伏充电等功能集成在海关监管无人车中，研究其在海关监管工作中的应用，以及融合拓展海关监管时空的可行性。研究表明，海关监管无人车的研发和应用不仅能降低人员作业风险，还能为提升国门安全保障能力和国际贸易便利化水平提供有力支撑。

关键词 海关监管；无人车；移动监控指挥；机械臂；光伏充电

Research on the Development and Application of Customs Supervision Unmanned Vehicles

DONG Xin-Wei ¹ WANG Wei ¹ DAI Jun ¹ HE Li ¹ JIANG Guo ¹

Abstract In order to improve the efficiency of customs supervision, reduce law enforcement environmental risks such as radiation, harmful chemical gases, pathogens, high temperatures, dust, and noise, and protect the health of customs supervision personnel, a safe and reliable remote control unmanned vehicle is needed at the customs law enforcement site. It can be equipped with supervision equipment, protective gear, imitate the movements of the human body when viewing, replace regulatory personnel, move remotely to any position on the supervision site, and perform real-time viewing at the optimal distance and angle. Chongqing Customs has integrated functions such as unlimited distance remote control driving, obstacle avoidance, real-time global monitoring, robotic arm proximity monitoring, robotic arm carrying supervision equipment, audio and video communication, data storage, and photovoltaic charging into customs supervision unmanned vehicles by analyzing the on-site operation requirements of customs supervision and combining them with the existing application of manned supervision vehicles. The study aims to investigate their application in daily customs supervision, dangerous and harsh environments, as well as the feasibility of integrating and expanding customs supervision time and space. The research and application of customs supervised unmanned vehicles can not only reduce personnel operational risks, but also integrate and expand the time and space of customs supervision, providing strong support for enhancing national security and international trade facilitation capabilities.

Keywords customs supervision; unmanned vehicle; mobile monitoring command; mechanical arm; photovoltaic charging

载人监管电瓶车是监管现场常见的海关执法辅助工具，能够降低海关关员户外工作强度，增加监管装备携带量，提升监管现场执法效率。重庆海关在使用载人监管电瓶车的过程中发现其具有机动优势、稳定优势、续航优势和集成优势，采取了统一更换电瓶、清理车辆使用环境以及加装移动监控指挥装备等措施优化监管电瓶车的应用^[1]，并取得一定成效。为进一步拓展海关监管覆盖面、提高海关监管效能、降低国际贸易物流成本以及降低执法环境风险，重庆海关开展了海关监管无人车的研发工作。

1 海关监管现场面临的挑战

随着国际贸易的发展，贸易类型、货物种类和物流方式越来越多样，如何在确保国门安全的前提下不断提升贸易便利化水平，海关监管现场面临以下挑战：（1）作业场所多。随着多式联运、指定监管场地以及海关特殊监管区的发展，分布在口岸周边码头、铁路车站、公路场站以及冷链仓库的海关监管作业场所逐渐增加。（2）作业装备多。口岸监管装备种类繁多、专业性强，如核辐射探测仪、辐射个人剂量仪器、核素识别仪等。（3）作业场景多。主要包括现场查验、抽采样、检疫处理监督、辐射探测及处置、大型X光集装箱检查设备运行监督、口岸有害生物监测及防治监督等，对于特殊货物还需要在监管区外查验。（4）作业风险多。现场运行大型龙门吊、正面吊车、载重货车等大型机械装备存在掉物、碰撞风险，在露天作业时监管人员面临高温、暴晒、雨雪、大风、粉尘、雾霾等情况，进出口集装箱货物也可能存在辐射超标、病媒生物、有毒有害化学品等潜在风险因素。

2 海关监管无人车功能需求分析

为更好应对上述挑战，本研究对海关监管无人车功能需求进行了分析，主要包括5个方面。

2.1 不限距离遥控功能

具有依托4G/5G无线通信不限距离远程视频遥控功能，可通过手柄、手机APP、摄像头实时画面进行遥控驾驶，具备转弯、前进、后退和刹车功能，对移动路线中的障碍物能够自动避让，避免发生碰撞及损坏。对监管场地中的龙门吊轨道、火车轨道、升降机等沟缝有通过能力，能按照关员的指示在监管现场自由移动到最佳监管位置。由于4G/5G摄像头及遥控信号有传输延时，为避免发生碰撞事故，在无人车行驶时，车顶应设置警示灯闪烁，提醒车辆及人员避让。

2.2 实时全局监控功能

设置移动监控球机，用于远程实时360°观察无人车周边环境，以便监控掏箱、检疫处理等全局场景。监控信号可接入海关监控指挥中心，可远程调节摄像头画面；设置补光灯具，能够在夜晚或集装箱内部暗处提供照明补光。移动监控球机能实时显示并记录无人车地理位置、时间等基础信息^[2]。

2.3 遥控机械臂抵近监控功能

在可遥控机械臂上搭载移动监控摄像头及补光灯具，按照关员指示调整监控视线角度及亮度，模拟关员的俯身、低头、侧脸、转动等动作，用于对集装箱锁号、封识号、货物细节等近距离或微距实时查看，机械臂能举升至3.2 m，便于查看集装箱顶部情况；模仿人体携带探测仪检测时的动作，机械臂上可根据需要加装探测仪器放置平台、气体探测仪等仪器，监控摄像头可实时监控和读取探测仪显示屏数据，用于对监管物品进行抵近辐射测量。

2.4 实时音视频对话功能

在无人车上设置显示器和喇叭，在遥控端设置摄像头和麦克风，在现场实时展示远程监管者的面部视频和语音，实现现场人员与远程监管者的实时音视频对话，记录并保存远程监管者的监管过程。具有调节音量功能，实现远程高音喊话，能在嘈杂场所对车辆、人员等开展现场调度指挥。音视频数据可自动存储，实现3个月存储调阅。另外还能给移动单兵提供无线通信热点。

2.5 光伏充电功能

监管无人车自身通过大功率光伏板和大容量电池实现无限续航；无人车设置监管装备存放格，用于存放查验工具箱、防护装备、辐射探测仪、化学采样箱生物因子快速检测箱等；具备直接给摄像头、监管装备持续供电功能。

3 海关监管无人车的技术实现路径及制作工艺

无人车主要由4G/5G远程遥控车、机械臂、太阳能充电系统和远程音视频交互系统组成，下面主要从功能角度对无人车的技术实现路径及制作工艺进行介绍。

3.1 结构设计

3.1.1 主体结构设计

无人车的主体采用铝型材配合专用的铝型材连接件搭建而成，结构密闭，防水防尘，配备设备存储仓及车载空调，保证所存储的监管设备安全可靠。无人车车顶设置有高清摄像头，可以为远程遥控者提供实时视频。在无人车的前挡风板处安装有高清屏幕，实时展示远程监管者的面部视频和语音，实现现场人员与远程监管者的实时音视频对话。

3.1.2 底盘结构

无人车底盘由上下两层组成，采用高强度铝型材搭建，有足够的强度；下层底盘进一步加强底盘的强度。此外，无人车的电池、控制器均安装于下层底盘，从而降低无人车系统的重心，电池仓与设备存储仓共用车载空调。底盘4个车轮独立驱动，采用差速转向系统，确保无人车在狭小的空间也能灵活转向。

3.1.3 减震结构

为确保无人车在颠簸路面行驶时车身稳定，减少路面不平带来的车身震动，在无人车每个车轮上都安装有减震机构，确保无人车车身稳定，减小振动冲击给无人车带来的影响。

3.1.4 机械臂

为了实现对集装箱锁号、封识号、货物细节等近距离或微距实时查看，以及对狭小空间的查看，在无人车的车尾设置有机械臂。通过在机械臂的末端配置包括微距摄像头在内的监控仪器，实现对监管对象的360°远程查看。为了全局监控有更好视角，同时能够查看不同高度集装箱顶部情况，在一根机械升降杆上设置高清摄像头。

3.1.5 太阳能光伏充电

为实现长续航功能，在无人车的车顶设置有400 W轻柔光伏组件。按地理位置光伏发电最佳倾角安装，便于雨水冲刷灰尘，从而提高发电效率，平均每天发电1～2度，能够满足无人车用电需要。为太阳能板配套最大功率追踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT）充电控制器，提高对动力电池的充电效率^[3-5]，防止过度充电等情况发生。为大容量动力电池配备DC-DC直流转换器^[5]，为设备存储仓内的设备充电。

3.2 远程控制设计

随着通信技术的飞速发展，4G/5G网络以其高速率、低延迟和大容量的特点，为远程控制领域带来了新的机遇。本研究设计并实现了一种基于4G/5G网络的远程控制无人车系统，该系统通过整合先进的通信技术、视频传输技术和远程控制技术，实现了对无人车及其机械臂的可靠远程可视化操控^[6-8]。

3.2.1 系统架构设计

本系统主要由遥控端、无人车端以及云端服务器三部分组成，各部分通过4G/5G网络进行高效的数据交互。

3.2.2 通讯协议与技术实现

系统采用485协议进行遥控器与网络模块之间的本地通信，该协议具有传输距离远、抗干扰能力强等优点，能够满足遥控数据传输的可靠性要求。在远程数据传输方面，利用4G/5G网络的高速特性，确保遥控指令的实时响应和视频数据的流畅传输。

3.2.3 系统优势

远程控制无人车系统优势显著，可借助4G/5G网络的高速与低延迟特性，实现了对无人车的远程精确操控，同时结合网络摄像头实时传回的视频数据，达成可视化遥控，极大提升了操作的准确性与安全性。系统架构灵活且扩展性强，可根据不同需求轻松添加传感器与控制功能。

4 海关监管无人车的应用场景

4.1 执行简单重复性辅助任务

应用远程遥控驾驶功能，按照规划路线完成对监管场所场地的视频巡查任务^[6]，开启自动跟随避障功能，协助海关关员完成查看、录证、取样、连线会商、携带工具等日常监管的辅助任务；利用随车搭载的辐射探测、气体探测以及红外探测装备，完成对监管场地和集装箱货物的日常性探测任务。

4.2 执行在危险或恶劣环境中的监管任务

首先，当发生辐射探测仪或有害气体探测仪报警时，通过全局摄像头和遥控器远程遥控机械臂将检测仪器抵近到嫌疑目标物体上，再读取机械臂摄像头显示的相关数据，实现危险环境中的远程无人检测。其次，在机械臂上牢固安装遥控抓取设备，可实现远程遥控抓取危险物品并处置到铅箱或防爆罐中 ^[9-10]。另外，在高温、暴晒、风雨、粉尘、噪音的恶劣环境中执行取样、制样、检疫处理等环节的监督任务时，能够保证监管人员健康不受侵害。最后，在执行消毒、灭虫任务时，可将消毒液或杀虫剂存储罐放置于无人车中，将消毒喷枪牢固安装在机械臂上，实现对监管作业场所任意空间的远程高效消毒杀虫作业，避免人体接触有毒气溶胶。

4.3 探索融合拓展海关监管时空

例如，将海关监管无人车应用在出口企业生产地。按照自愿自主的原则，出口生产企业配备与海关共享信息和控制权的无人车，对企业仓库装车现场进行备货、品质检验、数重量检验、抽查、装箱、上集装箱锁的全过程进行监督，确保申报前检验货物与运抵口岸的出口货物为同一批货物，为减少口岸开箱查验，提高出口通关效率提供技术条件和硬件支撑。又如，应用在进口货物境外备货地。按照自愿自主的原则，进口相关企业配备与海关共享信息和控制权的无人车，将无人车运至境外备货地使用。对备货地现场进行备货、商品自验、检疫自验、装箱、上集装箱锁的全过程进行监督，提前排除辐射超标、固体废物、动植物疫情、铁路集装箱配载不平衡等风险，为提高进口准入许可和中国口岸降低开箱查验比例提供技术条件，为提高进口货物通关效率提供硬件支撑。再如，应用在第三方检测环节。对第三方实验室检测相关的取样、混样、制样、检测等关键环节进行监督和录证，不断提升实验室检测质量，确保国际贸易货物实验室检测的客观性、公正性和科学性，避免国际贸易货物的多次检测、结果偏差以及相关贸易损失。

5 结语与展望

海关监管无人车模拟人体查看物体时的动作，实现不限距离的遥控和不限时间的续航。应用海关监管无人车不仅能减轻监管人员工作强度，保护人身安全和健康，还能拓展现场人员处置能力，规范作业行为，优化人力资源配置。虽然海关监管无人车是根据海关监管作业场地相关需求而研发，但其应用范围不局限于海关监管作业场地。当海关监管服务通过无人车融入到广大进出口企业日常运行时，可以实现严密顺势监管，为提升国际贸易便利化水平和保障国门安全提供技术支撑。

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基金项目：海关总署科研项目（T2024HKZQHG0026）

第一作者：董昕伟（1973—），男，汉族，重庆璧山人，本科，主要从事海关口岸监管工作，E-mail: 16765979@qq.com

1. 重庆海关 重庆 400000

1. Chongqing Customs, Chongqing 400000

第7卷 第6期

2025年6月

专论综述 / Monographs and Reviews

重组酶聚合酶扩增技术

在病原检测中的研究进展

张 娟 ¹ 徐 颖 ¹ 张 涛 ¹ 于滢泉 ¹ 杜建森 ¹ 张 瑾 ¹ 徐翮飞 ^1*

摘 要 重组酶聚合酶扩增技术（Recombinase Polymerase Amplification，RPA）相对于传统的聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）而言，在37～42°C条件下，可在20～30 min内快速完成扩增，操作简单，设备费用低，是一种新型的核酸恒温扩增方法。本文对比了不同核酸扩增技术，概述了RPA技术的原理及其在细菌、病毒检测中的最新应用，为RPA技术的推广提供参考依据。

关键词 重组酶聚合酶扩增技术；疾病检测；研究进展

Research Progress in Recombinase Polymerase Amplification Technology for Pathogen Detection

ZHANG Juan¹ XU Ying¹ ZHANG Tao¹ YU Ying-Quan¹

DU Jian-Sen¹ ZHANG Jin¹ XU He-Fei^1*

Abstract Recombinase Polymerase Amplification (RPA) is a novel isothermal nucleic acid amplification method that can rapidly complete amplification within 20-30 minutes at 37-42°C. Compared with traditional Polymerase Chain Reaction (PCR), RPA offers simplicity in operation and lower equipment costs. This article compares different nucleic acid amplification technologies, summarizes the principle of RPA technology and its latest applications in the detection of bacteria and viruses, aiming to provide a reference basis for the promotion of RPA technology.

Keywords recombinant polymerase amplification (RPA); disease detection; research progress

近年来，核酸扩增技术在分子诊断学方面的研究已有显著成效。其中，重组酶聚合酶扩增技术（Recombinase Polymerase Amplification，RPA）因操作简便、检测快速、高灵敏度和高特异性，且无需昂贵仪器，得到广泛关注。本文就核酸扩增技术的现状、RPA技术的原理、引物探针设计、产物分析方法及其应用于细菌和病毒检测等方面的问题进行了深入探讨。

1 核酸扩增技术的现状

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）是一种特殊的DNA复制技术，被广泛用于特定DNA片段的扩增。然而，PCR流程需经历包括90～95℃变性、55～60℃退火、70～75℃延伸等步骤，这些都需要依靠控温设备来完成且耗时较长，限制了其推广。随着研究的深入，等温核酸扩增技术应运而生并快速发展，有望成为PCR技术的替代方案。等温核酸扩增技术包括核酸依赖性扩增检测（Nucleic Acid Sequence-Based Amplification，NASBA）、环介导等温核酸扩增技术（Loop-Mediated Isothermal Amplification，LAMP）、链替代扩增（Strand Displacement Amplification，SDA）、滚环式等温扩增（Rolling Circle Amplification，RCA）、多重链置换扩增（Multiple Displacement Amplification，MDA）及RPA等，各方法的比较见表1。

NASBA技术可以直接对RNA进行扩增分析，而扩增DNA之前需要先对样本进行高温变性，因此无法做到DNA的一步扩增，再加上扩增所需的酶热稳定性较差，导致扩增片段较短。LAMP技术因需设计多对特异性引物且流程繁琐，容易造成假阳性，同时该技术的扩增效率虽高，但通常仅适用于较短的核酸片段‌。SDA技术对脱氧核糖核苷三磷酸（Deoxyribonucleoside Triphosphate，dNTP）的要求较高，必须使用经过硫基修饰的核苷酸，这大大提高了反应成本，同时也不能实现长片段的扩增，使用范围受到限制。RCA技术对模板要求严格，仅适用于单链环状DNA样本‌，若待测样本不符合该结构，需额外进行退火和环化等预处理‌，其扩增反应耗时较长，在快速检测场景中应用受限。MDA技术反应时间也比较长，不适合用于快速检测。

2006年，Piepenburg等^[1]报道了RPA这种新兴的恒温扩增技术，后由英国公司TwistDx Inc研发推广。RPA技术在25～45℃恒温条件下，在30 min内可以达到指数式的增长，快速完成核酸扩增。其扩增得到的产物既可以通过探针法荧光定量进行实时检测，也可以与横向流层析试纸条、凝胶电泳、生物芯片等多种方法相结合进行检测。检测过程无需昂贵的仪器设备，这使得RPA技术在资源有限的环境中也能得到有效应用。RPA的基础反应体系与其他技术结合，能衍生出多功能多用途的核酸检测技术，不仅能真正实现便携式快速核酸检测，还能在公共卫生领域、临床诊断领域和疫情监测领域，完成对不同病原菌在常温下的核酸检测，显示出广阔的应用前景。

2 重组酶聚合酶等温扩增技术的原理

RPA技术是在T4噬菌体编码的重组酶蛋白（UvsX和UvsY）、单链结合蛋白（gp32）、Bsu DNA聚合酶的作用下，在体外完成DNA扩增的过程，依靠寡核苷酸、Mg²⁺，基于T4噬菌体核酸的复制机制。在目的DNA片段的扩增过程中，首先UvsX重组酶与引物结合形成复合物。该复合物在模板上定位后可以直接引发链交换反应，形成D状环，从而将氢键打开，实现模板链分离。同时，单链结合蛋白（Single-Stranded DNA-Binding Protein，SSB）与单链DNA链结合，阻止形成双链。之后，Bsu DNA聚合酶从发生链交换反应的位置开始复制DNA。同时，反应体系中含有UvsY酶，能与UvsX结合并促进UvsX与单链DNA更加紧密地结合，提高链交换反应的效率。这一过程循环往复，目的DNA片段的扩增最终完成。

3 RPA引物和探针设计原则

3.1 RPA引物设计原则

RPA引物设计与PCR引物设计有一定的相似性，但存在差异。RPA引物设计需要考虑引物长度、引物序列组成和引物选择标准3个关键参数。首先，RPA引物的长度明显长于PCR引物，建议上下游引物的长度选择在30～35 bp之间。这一要求是基于UvsX 重组酶蛋白将寡核苷酸嵌入双链 DNA 所需的最小物理尺寸，因为过短可能导致特异性不足，而过长则可能降低扩增效率。在扩增过程中，RPA的产物长度通常以100～300 bp为宜。引物的选择标准方面要注意以下问题：5'端起始的3～5个碱基避免出现重复G，最好为C或T；3'端后3个碱基最好有G和C；GC含量不要大于60%或小于30%；避免引物间形成二级结构、引物二聚体等。为验证引物的有效性，可通过实验筛选几个寡核苷酸来验证，挑选最佳的引物。

3.2 RPA荧光探针设计原则

探针长度一般在46～52 bp之间；四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF）位点一般设在探针的中间位置，从5'端到THF位点间至少要间隔30个碱基，从THF位点到3'端间至少要间隔15个碱基，THF修饰位点需与荧光基团或淬灭基团相邻；探针序列应避免回文序列、内部二级结构和连续的重复碱基；5'端通常标有抗原标记物，如FAM基团或羧基荧光素，3'端需加上阻断基团，如C3-spacer、磷酸基或双脱氧核苷酸。遵循上述设计原则，可以有效提高RPA反应的特异性及灵敏度，从而提升核酸检测的准确性和可靠性。

4 扩增产物的检测方式

4.1 琼脂糖凝胶电泳

最初的RPA扩增产物采用的是凝胶电泳检测，该方法具有较强的灵敏度，且操作简单，但是会增加检测时间。为避免产生抹带现象，在利用凝胶电泳分析之前，需要对扩增产物进行纯化。尽管存在这些不足之处，结合凝胶电泳分析RPA扩增产物的研究依然广泛。

4.2 实时荧光探针检测

实时荧光探针检测是RPA扩增产物分析的另一种重要方法，荧光报告基团（如FAM）与淬灭基团（如BHQ-1）通过共价方式连接在一起，通过荧光共振能量转移效应来抑制初始荧光。RPA扩增时，探针特异性结合靶序列，核酸内切酶切割探针，引起荧光基团分离从而释放信号。其特点是高灵敏度，可实时监测荧光强度，实现靶标核酸的定量分析，支持多通道检测，局限性在于‌依赖专用设备，野外场景适用性受限。Euler等^[2]在2012年首次系统开发RPA技术用于‌生物威胁剂检测‌，涵盖炭疽杆菌、鼠疫杆菌等6种高危病原体，灵敏度达到10拷贝/反应，特异性＞99%。

4.3 横向流试纸条检测方法

横向流试纸条检测方法是一种创新的检测手段，它将免疫技术、分子杂交技术、胶体金标记技术和横向流层析技术整合在一起。RPA扩增采用生物素和荧光标记引物，产物通过试纸条层析，与固定化抗体或互补探针结合，形成可见条带，从而达到快速检测 RPA扩增产物的目的。该方法的特点‌是成本低、耗时短，肉眼可判读结果，局限性在于灵敏度较低，常适用于定性分析。‌Kim等^[3]采用将 DNA提取、RPA扩增及LF探针检测相结合的方式来检测分析沙门氏菌，结果表明，从提取DNA开始到得到检测结果仅需要30 min，并且检测限可以达到10 cfu/mL。

4.4 微流控芯片集成检测

‌RPA产物与电极表面固定化探针杂交，触发氧化还原反应，通过电流或阻抗变化定量靶标。将RPA扩增与检测模块（荧光、比色、电化学）集成于单一芯片，实现“样本进-结果出”全封闭检测。但局限性‌在于研发与生产成本高，尚未大规模普及。

4.5 CRISPR-Cas耦合检测

RPA扩增后，利用Cas12a/Cas13a蛋白的侧切活性，剪切荧光或比色报告分子，放大检测信号。试纸条化CRISPR检测，支持野外快速筛查，但‌步骤繁琐，常温稳定性待提升。Y Yang等^[4]开发了一种基于CRISPR-Cas13a与逆转录重组酶聚合酶扩增（Reverse Transcription Recombinase Polymerase Amplification，RT-RPA）技术结合的一体式现场快速检测方法，用于废水中SARS-CoV-2病毒的检测。通过单管反应体系即可完成对病毒RNA的提取、逆转录、扩增及检测，极大简化了操作流程。

5 RPA技术的应用

目前基于RPA技术建立的检测方法正越来越广泛地应用于疾病诊断、病原学检测等领域。

5.1 RPA技术在细菌检测领域的应用

Piepenburg等^[1]最初提出用于检测耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的特异性基因SCCmec的RPA方法，并且成功建立实时荧光RPA方法，对于拷贝数低于10的模板都可以得到检测结果。Boyle等^[5]建立的用于结核分枝杆菌的荧光RPA检测方法，可以快速检测结核分枝杆菌的复合群，与荧光显微镜方法相比，RPA方法更快、特异性更强。Raja等^[6]采用RPA技术对常引起尿路感染的5种细菌进行检测，可在12 min内检测到尿液样本中100个拷贝数的细菌，并且与其他菌无交叉反应。周广彪等^[7]建立了针对拟态弧菌vmhA基因的RPA检测方法，仅需在37℃下恒温反应40 min，就能够从拟态弧菌中扩增得到467 bp的特异性条带，灵敏度与PCR一致，均达到0.1 ng/μL，适用于快速检测。

5.2 RPA技术在病毒检测领域的应用

Sun Y等^[8]设计了针对SARS-CoV-2 RdRp和N基因的RT-RPA引物，通过优化反应体系，使扩增和检测在同一管内完成。CRISPR/Cas12a系统利用特定的CRISPR RNA识别目标序列，并通过酶的非特异性切割作用释放荧光信号，进而实现检测。该方法在SARS-CoV-2阳性和阴性样本中测试，结果与实时荧光RT-PCR完全一致，检测限为2.5拷贝/μL，展现出极高的灵敏度。该方法将检测时间压缩至约50 min，远快于传统方法，同时单管操作能降低污染风险，简化流程。Cherkaoui D等^[9]提出为扩大诊断范围以实现在高峰需求时期进行大量检测的需求，RT-RPA是RT-PCR的可行替代方案，两者相比，RT-RPA检测显示出高灵敏度和特异性，分别为96%和97%。该检测方法与所测试的呼吸道病原体组没有交叉反应。此检测法能检测包括4种变体（Alpha、Beta、Delta、Omicron）在内的11个SARS-COV-2 谱系。Sridhar S等^[10]报告了3种针对基孔肯雅病毒（Chikungunya Virus，CHIKV）、奥尼昂-尼昂病毒（O’nyong-nyong Virus，ONNV）和马亚罗病毒（Mayaro Virus，MAYV）的病毒特异性 RT-RPA快速检测的开发和验证，既快速又灵敏，能够在扩增后20 min内检测到10～100个病毒拷贝，且不会出现交叉反应。研究人员使用CHIKV、ONNV 和MAYV感染小鼠以及CHIKV感染人类患者的血清和组织样本评估了这些检测的临床潜力。这些研究结果强调了快速而具体的诊断方法在改善这些虫媒病毒感染的早期检测和管理方面的重要性，尤其是在资源有限的环境中。在婴儿艾滋病毒检测中^[11]，RPA技术可以在31～43℃的条件下，20 min内检测到低拷贝量的HIV-1亚型的前DNA，同时通过增加逆转录RPA反应，该方法还可检测HIV-1 RNA，方法更敏感、更快速。Faye O等^[12]报道了在几内亚埃博拉疫情暴发期间，埃博拉病毒的核衣壳蛋白（Nucleoprotein，NP）基因采用RT-RPA的检测方法，8 min内检测到血浆样品中15个拷贝数的RNA。在临床样本检测中，该方法与RT -PCR方法的符合率达到100%，展示出良好的特异性、灵敏度。国内外也有学者应用RT-RPA技术建立了中东呼吸综合征冠状病毒^[13]、禽流感病毒H7亚型^[14]、流感病毒H5N1血凝素（Hemagglutinin，HA）基因^[15]、裂谷热病毒^[16]快速检测方法，均表现出与实时荧光定量PCR相同的高灵敏度和高特异性。‌新加坡樟宜国际机场建立了全球首个全数字化病原筛查枢纽‌，对入境旅客的唾液样本，采用12台微流控数字RPA检测站（集成AI分液系统），云端变异株数据库实时比对，2 h内完成唾液样本中Omicron亚系BA.2.86的拷贝数定量，阳性检出率较传统PCR大幅提升。

6 结语

RPA技术具有优于非等温核酸扩增技术的显著优势，具体表现在以下几个方面：（1）快速动力学，样品加入体系即开始反应，无需对目标双链DNA进行解链处理；（2）恒温反应，这一特点大大减少了技术及仪器所需要的成本；（3）广泛的目的基因适应性，目标基因不限制于DNA或RNA，甚至可以是处理后适合于进行RPA的RNA病毒，如HCV病毒；（4）与基于探针的检测技术的结合，将对便携式快速精确的核酸检测具有重大意义；（5）在技术兼容性上，与CRISPR、微流控等技术的联合应用，检测灵敏度更高，应用场景更加广阔。综上所述，随着RPA技术的广泛应用，将极大提高检测效率，为疾病的早期诊断和实地检测提供简易快捷的检测手段。

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基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFC2302800）

第一作者：张娟（1982—），女，汉族，山东泰安人，硕士，副主任技师，主要从事传染病检测研究工作，E-mail: 5477272jsl@163.com

通信作者：徐翮飞（1975—），女，汉族，山东青岛人，硕士，主任技师，主要从事传染病检测及分子生物学研究等工作，E-mail: fei3579@163.com

1. 青岛国际旅行卫生保健中心（青岛海关口岸门诊部） 青岛 266071

1. Qingdao International Travel Health Care Center (Outpatient Department of Qingdao Customs), Qingdao 266071

表1 主要核酸等温扩增技术的比较

Table 1 Comparison of major isothermal nucleic acid amplification techniques

第7卷 第6期

2025年6月

Monographs and Reviews / 专论综述

结核分枝杆菌分子诊断技术研究进展

冯茹荔 ¹ 刘 迪 ¹ 张 娟 ¹ 马 赛 ^{1 *}

摘 要 结核病是一种主要经由呼吸道传播的可侵犯多种组织器官的慢性消耗性疾病。目前我国依然属于结核病高负担国家，及时快速准确地检测结核分枝杆菌对结核病防治工作至关重要。分子诊断技术发展迅速，已被广泛应用于结核病防治领域，成为结核病诊断的重要手段之一。本文介绍了当前国内结核病形势，并对分子诊断技术在结核分枝杆菌检测中的应用进展进行分析探讨，以期为我国结核病防治工作提供参考。

关键词 结核分枝杆菌；分子诊断技术；核酸扩增检测

Research Progress on Molecular Diagnostic Techniques for Mycobacterium Tuberculosis

FENG Ru-Li ¹ LIU Di ¹ ZHANG Juan ¹ MA Sai ^1*

Abstract Tuberculosis is a chronic wasting disease that mainly spreads through the respiratory tract and can invade multiple tissues and organs. Currently, China is still a country with a high burden of tuberculosis. Timely, rapid and accurate detection of Mycobacterium Tuberculosis is crucial for tuberculosis prevention and control. Molecular diagnostic techniques have developed rapidly and have been widely applied in the field of tuberculosis prevention and control, becoming one of the important means for tuberculosis diagnosis. This article introduces the current situation of tuberculosis in China, and summarizes the application progress of molecular diagnostic techniques in the detection of Mycobacterium Tuberculosis, with the aim of providing a reference for tuberculosis prevention and treatment in China.

Keywords Mycobacterium Tuberculosis; molecular diagnostic techniques; nucleic acid amplification assays

结核分枝杆菌是引起慢性传染性疾病——结核病的病原菌。迄今为止，结核病依旧威胁着人类健康，也是全球由单一传染性病原体导致死亡的首要原因^[1]。世界卫生组织（WHO）发布的《2024年全球结核病报告》^[2]中估算我国2023年结核病死亡数为2.5万，结核病发病数占全球发病数的6.8%，居高负担国家第三位，属于世界结核病高流行国家。

随着分子生物学技术的发展，分子诊断技术已经超越传统病原学分离培养鉴定技术，成为重要的结核分枝杆菌实验室检测方式。分析当前结核病疫情形势，梳理国内外结核分枝杆菌分子诊断技术，对辅助结核病临床治疗，从而对防制结核病疫情具有重要意义。

1 结核病概述

结核病主要通过咳嗽、喷嚏等方式经由呼吸道传播，也可经消化道或皮肤损伤侵入易感机体而传播。全身多部位均可被结核分枝杆菌感染，除低热、盗汗、消瘦、虚弱等共有症状外，不同脏器感染可呈现多种症状，菌体成分、免疫损伤和其代谢物毒性导致细胞炎症是其主要致病机制。由于肺泡为无菌状态，直径小于10 μm的痰滴微粒、含菌尘埃、飘浮飞沫中存在的结核分枝杆菌吸入肺泡内更易定植，故肺结核最为常见。结核分枝杆菌为单个或分枝状排列的略弯曲细长杆菌，无鞭毛、菌毛和芽孢，有荚膜，对日光与湿热敏感，在干燥环境下抵抗力较强，最长可存活6～8个月。

2 我国结核病现状

我国实施以结核病患者发现、治疗和管理为核心的结核病预防控制措施，国内结核病死亡率为2.0/10万，位于全球较低水平^[3]，与2015年相比，2023年估计结核病死亡例数下降35%。虽然防治结核病工作已取得较大进展，但由于我国人口基数较大，2023年估计的结核病新发患者仍有74.1万例，仅次于印度和印度尼西亚居世界第三位。另外，我国估计新发耐多药结核病/利福平耐药结核病患者2.9万例，占全球例数的7.3%，仅次于印度、俄罗斯、印度尼西亚居世界第四位^[2]。国内结核病发病率空间趋势为自西向东逐渐递减，新疆、西藏、青海、贵州是结核病报告的高发地区^[4]，本地传播是我国结核病传播的主要形式^[5]。此外，随着国际贸易往来日益频繁，结核病口岸监测也成为结核病防治工作的一个重点，有研究表明口岸结核病防控的重点人群是30～45岁的出境劳务人群，且男性检出率明显高于女性^[6]。

3 结核分枝杆菌分子诊断技术进展

虽然结核分枝杆菌分离培养与抗酸染色镜检是结核病检查的“金标准”，但结核分枝杆菌对培养环境要求较高、生长缓慢，导致检测周期长。WHO结核病综合指南^[7]推荐使用分子诊断技术核酸扩增检测（Nucleic Acid Amplification Tests，NAATs）作为结核病和利福平耐药性的初始检测。当前，全球范围内用于检测结核病的分子诊断技术包括：核酸变温扩增技术如实时荧光定量PCR扩增技术（Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction，qPCR）、线性探针检测（Line Probe Assay，LPA）、高分辨率熔解曲线（High-Resolution Melting，HRM）；核酸等温扩增技术如重组酶聚合酶扩增技术（Recombinase Polymerase Amplification，RPA）、环介导等温扩增技术（Loop-Mediated Isothermal Amplification，LAMP）、滚环扩增技术（Rolling Circle Amplification，RCA)；测序技术包括：内转录间隔基因测序（Internal Transcribed Spacer，ITS）、靶向测序技术（Targeted Next-Generation Sequencing，tNGS）、全基因组测序技术（Whole Genome Sequencing，WGS）等^[8]。

3.1 变温扩增技术

实时荧光定量PCR扩增技术是当前应用最广泛的分子生物学技术，检测特异性强，可实现核酸的相对定量检测、多种或多重靶基因检测。其原理是在普通PCR“变性-退火-延伸”的基础反应循环上，增加荧光染料或者荧光标记探针^[9]，借助荧光检测仪器实时读取荧光信号，实现核酸定性与相对定量检测。目前WHO推荐使用的GeneXpert MTB/RIF Ultra试剂盒就是基于此技术，自动化程度高，操作简单准确，可节省大量人力物力，且对结核病痰液样本有较好的诊断效能^[10]，缺点是试剂与设备成本高且通量小。此外，Kay A等^[11]针对粪便样本研制的新型qPCR在青少年和成人样本中也具有相当的诊断准确性。而针对舌拭子的简单qPCR诊断试剂也已在国内结核病医院进行定点测试，或能成为痰液采集困难者的无创诊断替代方案^[12]。

线性探针检测^[13]是指融合PCR扩增与线性探针杂交的技术，基本原理是使用生物素标记的引物进行目的基因的多重PCR扩增，再将扩增产物与预先固化在试纸条上的寡核苷酸探针杂交，最后利用酶显色后读取结果^[14]，常用于检测对利福平、异烟肼、氟喹诺酮类药物耐药的结核分枝杆菌，与传统的药敏试验相比能有效缩短诊断时间，进而改善治疗效果^[15]。

高分辨率熔解曲线原理是利用特定荧光染料结合双链DNA但不结合单链DNA的特性，连续监测扩增过程中DNA的解链温度变化并形成熔解曲线，从而实现对核酸样本的检测，其优势在于检测价格较低，且不需要为每个核酸靶标单独设计特定的探针和引物，也可合成核酸标准品用以检测结核分枝杆菌耐药基因单个或多个序列突变^[16]。此外，Khosravi A D等^[17]设计了分枝杆菌种类鉴定的高分辨率熔解曲线分析法，可以精准鉴别显微镜检不易分辨的诺卡菌和分枝杆菌。

3.2 等温扩增技术

重组酶聚合酶扩增技术主要借助结合引物的重组酶、单链DNA结合蛋白和链置换DNA聚合酶实现迅速的核酸扩增，在几分钟内即可获得扩增曲线^[18]。有研究表明RPA检测结核分枝杆菌的灵敏度和特异性都明显高于痰涂片镜检^[19]，用于结核分枝杆菌利福平耐药性检测方面也具有一定的临床应用价值^[20]。但RPA易出现非特异性扩增导致假阳性且配套设计的荧光探针相对昂贵。催化发夹组装（Catalytic Hairpin Assembly，CHA），是一种新型的无酶级联扩增方式，其原理主要是在目标物的作用下，引发链诱导发夹探针进行组装，被置换出来后引发下一轮反应，起到类似催化剂的作用，从而实现目标物检测信号的放大。RPA与CHA结合可实现双信号放大，成为灵敏且低成本的结核分枝杆菌现场即时检测（Point-of-Care Testing，POCT）平台，有望应用于临床结核病筛查和诊断^[21]。

环介导等温扩增技术原理是针对靶基因上的不同区段设计 4或6个不同引物，通过环状链置换反应实现对核酸的高效特异扩增，可鉴别不同类型样本中的结核分枝杆菌，特别是对痰液样本的检测有较高的检测灵敏度和准确性，诊断价值更高 ^[22]。侧向流动试纸条（Lateral Flow Dipstick，LFD）利用毛细管层析原理，使扩增产物在层析膜上显化形成可见信号，其与等温扩增技术结合可实现POCT，因其不需要变温设备，故可实现在环境恶劣的户外应用。多重LAMP与LFD相结合可以有效检测结核分枝杆菌复合体，实现裸眼可视化且成本低于PCR^[23]。

滚环扩增技术需构建DNA单链环状模板，使用单链引物结合，借助DNA 聚合酶完成模板延伸和循环扩增。RCA技术能准确识别混合结核分枝杆菌耐药基因中的单碱基突变，配合多色荧光探针实现 3个突变基因的单管多重检测，灵敏度达到1.0 pmol/L^[24]，但在结核分枝杆菌其他检测方面应用较少。

3.3 测序技术

内转录间隔基因测序属于一代测序（sanger测序法），通过16S-23S rRNA区域的测序和DNA数据库序列比对，可实现结核分枝杆菌与非结核分枝杆菌的物种鉴定，但目前公共数据库存在部分问题序列，会在一定程度上影响鉴定效率^[25]。目前二代测序技术主要包含全基因组测序、外显子测序、靶向测序。其中，靶向测序技术是 WHO推荐的具有潜在前景的检测方法，通过核酸预扩增与选定基因测序分析，无需细菌培养即可辅助诊断结核病^[26]。全基因组测序通常可覆盖95%的基因组，借助基因组数据库构建，可分析筛选出所有与耐药表型相关的主要突变因素、追踪人群中的传播情况，甚至可分析耐药传播网络、预测抗结核药物耐药性^[27]，这是其他检测方法无法替代的优势。

4 讨论

与涂片抗酸染色、分枝杆菌分离培养的传统检测方法相比，以qPCR为首的分子诊断技术确实具有更高的阳性检出贡献率，其时间优势也提升了结核病诊断的医疗效率^[28]。随着分子生物学技术的成熟，临床实验室应用变温扩增技术已非常广泛，目前已有多种检测试剂盒通过国家体外诊断试剂注册与备案。恒温扩增技术因其不依赖特殊设备更侧重POCT的应用场景，导致目前实验室诊断使用率相对较低，但可靠高效的恒温扩增技术在恶劣地区或缺乏试验条件的环境中更具使用意义，可推广应用。一代测序技术当前主要面临的瓶颈为核酸序列数据库质量参差不齐，因此，梳理整合我国自研数据库信息具有一定必要性。当前新发耐多药结核病患者不在少数，使用分子诊断技术精准快速检测结核分枝杆菌、追踪耐药基因，对结核病预防控制具有积极意义。

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基金项目：海关总署科研项目（2024HK099）

第一作者：冯茹荔（1993—），女，汉族，山东淄博人，本科，主管技师，主要从事出入境传染病与病媒生物监测工作，E-mail: fengruli199377@163.com

通信作者：马赛（1978—），男，汉族，河北廊坊人，硕士，副主任医师，主要从事出入境传染病监测工作，E-mail: ma_sai@126.com

1. 青岛国际旅行卫生保健中心（青岛海关口岸门诊部） 青岛 266071

1. Qingdao International Travel Health Care Center (Outpatient Department of Qingdao Customs Port), Qingdao 266071