競技機(jī)器人比賽裁判原則與技術(shù)

王 旭

（北京科技大學(xué)，北京，100083）

0 引言

機(jī)器人競賽是推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)、培養(yǎng)機(jī)器人技術(shù)工程師的重要方式。由于機(jī)器人技術(shù)具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、技術(shù)前沿變化快、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得機(jī)器人競賽的規(guī)則設(shè)計(jì)、裁判執(zhí)裁工作具有較高的專業(yè)性和復(fù)雜性。

在規(guī)則設(shè)計(jì)方面，需要融合技術(shù)導(dǎo)向、工程實(shí)現(xiàn)、安全限定、可比性、博弈均衡、可觀賞性、背景文化等諸多因素。在裁判執(zhí)裁方面，在深入理解規(guī)則設(shè)計(jì)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，需要充分認(rèn)識到機(jī)器人競賽在“競賽”和“技術(shù)”、“人”和“機(jī)器”多方面的交叉結(jié)合：在“競賽”維度尋求和其他體育競技方面的共性優(yōu)點(diǎn)，吸收借鑒其他比賽的優(yōu)秀成果，在“技術(shù)”維度體現(xiàn)對機(jī)器人方案設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐的解讀；對于比賽參與對象的“人”和“機(jī)器”，需要站在不同的視角進(jìn)行綜合觀察和評價(jià)，做出相應(yīng)的判斷。同時(shí)，作為一項(xiàng)技術(shù)性賽事，將新技術(shù)工具用于機(jī)器人競賽的裁判工作，特別是具有對抗性特點(diǎn)的競技機(jī)器人比賽，是賽事設(shè)計(jì)者們研究的一項(xiàng)核心內(nèi)容。競技機(jī)器人比賽規(guī)則設(shè)計(jì)關(guān)鍵元素見圖1。

圖1 競技機(jī)器人比賽規(guī)則設(shè)計(jì)關(guān)鍵元素

1 競技機(jī)器人比賽執(zhí)裁原則

為了適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)交叉性、前沿性帶來的變化性特點(diǎn)，不斷引導(dǎo)參賽者在設(shè)計(jì)方面進(jìn)行創(chuàng)新、技術(shù)方面取得突破，高水平的競技機(jī)器人比賽規(guī)則通常更新變化快，體現(xiàn)在機(jī)器人的任務(wù)設(shè)計(jì)、技術(shù)要求、比賽用品、比賽場地等方面的內(nèi)容更新。就像機(jī)器人新產(chǎn)品的開發(fā)一樣，創(chuàng)新性和完備性往往存在一定矛盾：“1.0版”的規(guī)則發(fā)布后，經(jīng)過反復(fù)持續(xù)的參賽者問詢、設(shè)計(jì)者驗(yàn)證，規(guī)則經(jīng)常需要多次的“補(bǔ)丁”，創(chuàng)新者需要習(xí)慣這種“試錯(cuò)與迭代”模式。基于以上這些特點(diǎn)，提出以下4個(gè)競技機(jī)器人比賽執(zhí)裁原則。

1.1 有“法”可依

作為賽場上的“根本大法”，比賽規(guī)則需要得到充分地尊重、嚴(yán)肅地對待。規(guī)則設(shè)計(jì)者需要盡可能讓所有執(zhí)裁中需要判斷的情況都對應(yīng)到規(guī)則的文字描述范圍內(nèi)，即讓規(guī)則覆蓋賽場上絕大多數(shù)可能出現(xiàn)的情況。需要特別說明的是，這里的規(guī)則包括以下3部分內(nèi)容。

（1）最新修訂版的比賽規(guī)則。

修訂版的比賽規(guī)則需要有修訂明細(xì)表，說明規(guī)則編號、修訂要點(diǎn)、修訂時(shí)間等內(nèi)容，便于參賽者理解。

（2）賽前說明會后發(fā)布的“問答匯總”

規(guī)則設(shè)計(jì)者需要建立規(guī)則問詢渠道，回復(fù)并發(fā)布參賽者針對規(guī)則提出的有關(guān)問題。一方面是協(xié)助參賽者理解規(guī)則、消除誤解，另一方面也是促進(jìn)規(guī)則設(shè)計(jì)者對規(guī)則的修訂與完備。賽前說明會上集中對參賽者提出的問題進(jìn)行回復(fù)，并做好詳細(xì)完整的“問答匯總”記錄，最后公開發(fā)布。

（3）裁判工作實(shí)施細(xì)則。

裁判工作實(shí)施細(xì)則是裁判組發(fā)布的比賽期間的具體執(zhí)裁細(xì)則，包括檢查、計(jì)分、判罰等細(xì)節(jié)和判斷方式，作為執(zhí)裁者和參賽者共同遵守的依據(jù)。

規(guī)則制定完備的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是對比賽規(guī)則中任何問題的回應(yīng)，都能以“比賽規(guī)則”、“問答匯總”、“裁判工作實(shí)施細(xì)則”這3個(gè)文檔中發(fā)布的文字為依據(jù)。因此，提問、回答、申訴爭議，都應(yīng)該注明“根據(jù)比賽規(guī)則（問答匯總或裁判實(shí)施細(xì)則）x.x”所述，說明問題涉及的規(guī)則出處，以提高溝通效率。

1.2 違“法”必究

對違規(guī)者的寬容則是對守法者的不公平。雖然高水平競技機(jī)器人比賽的技術(shù)難度高、準(zhǔn)備周期長、投入精力大，但是賽事裁判不能以這些特點(diǎn)為理由，對違規(guī)者放松要求；另一方面，在緊湊激烈的比賽進(jìn)程中，賽事裁判也不能以比賽進(jìn)程、時(shí)間進(jìn)度為理由將可以定量判斷的“嚴(yán)重犯規(guī)”按“大事化小”處理。一旦發(fā)現(xiàn)或收到申訴的犯規(guī)行為，經(jīng)過查實(shí)，在申訴期內(nèi)裁判必須按規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的處理，不得以任何理由放棄、推遲處理。

1.3 知錯(cuò)就改

無論是人工裁判還是裁判技術(shù)系統(tǒng)，都存在出現(xiàn)偏差和錯(cuò)誤的可能。執(zhí)裁工作必須建立明確且公開的反饋及糾錯(cuò)機(jī)制。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，在申訴期內(nèi)須根據(jù)已公布的申訴流程、依據(jù)規(guī)則對應(yīng)細(xì)則進(jìn)行相應(yīng)處理，即使暴露出裁判執(zhí)裁工作的疏漏、失誤、錯(cuò)誤，也要堅(jiān)決糾正。

1.4 自由裁量權(quán)

面對千變?nèi)f化的比賽情況，規(guī)則總會存在“未加限定”或需“定性判斷”的情況。比賽規(guī)則中通常會通過“最終解釋權(quán)”賦予執(zhí)裁者“自由裁量權(quán)”。對于競技機(jī)器人比賽規(guī)則的自由裁量權(quán)，應(yīng)該遵循以下3項(xiàng)原則。

（1）以保障參與者安全為原則。

為了取得競爭優(yōu)勢，競技型機(jī)器人在技術(shù)上往往追求更快的速度，更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)，所以機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須保證不對現(xiàn)場參與者，包括本方操作者、對手、裁判、觀眾造成安全威脅。

（2）以尊重公平競爭精神為原則。

賽場競技不能違背競技精神。如何判斷某一行為是否違背競技精神，屬于主觀定性判斷。對于這一原則，執(zhí)裁者可以以“解答、處理結(jié)果可以被記錄、被公開”為判斷依據(jù)。

（3）以鼓勵(lì)創(chuàng)意創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步為原則。

在不違背“安全和公平競爭”兩條原則的基礎(chǔ)上，可遵循“法無禁止即允許”的準(zhǔn)則，鼓勵(lì)創(chuàng)意創(chuàng)新、鼓勵(lì)開拓嘗試，在賽場上呈現(xiàn)出多樣的、出人意料、超越平凡的設(shè)計(jì)，有利于促進(jìn)交流與創(chuàng)新。

2 競技機(jī)器人比賽裁判系統(tǒng)

裁判工作是實(shí)現(xiàn)競技賽事的競爭性、公平性、規(guī)則約束性的重要保障。在體育競技中，由于運(yùn)動(dòng)員速度、力量、技巧、團(tuán)體協(xié)作等方面水平的不斷提升，通過技術(shù)手段輔助裁判判斷的需求與日俱增。隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的技術(shù)設(shè)備被用于競技體育賽事，比較熟知的有電子計(jì)時(shí)器、搶跑提示器、“鷹眼”、門線技術(shù)等，這些技術(shù)的使用對競技體育的公正性、裁判執(zhí)裁效率的提高都起到了很好的促進(jìn)作用。各類體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中首次使用的技術(shù)裝備統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各類體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中首次使用的技術(shù)裝備

不同于體育競技，機(jī)器人比賽的賽場面對的是自動(dòng)運(yùn)行或遙控操作的機(jī)器人，除了任務(wù)設(shè)定，機(jī)器人一般不能感知到人工裁判的指令；另一方面，競技機(jī)器人完成任務(wù)或發(fā)生對抗時(shí)，會和比賽場地、比賽用品、對方機(jī)器人產(chǎn)生交互作用，這種交互發(fā)生的速度往往很快、沖擊力很強(qiáng)，存在一定的危險(xiǎn)性；再有，作為一項(xiàng)機(jī)器人賽事，執(zhí)裁過程中不能有太多人為干預(yù)，這樣會影響比賽的連貫性；同時(shí)執(zhí)裁的結(jié)果又需要及時(shí)在現(xiàn)場公布，以便觀眾能夠?qū)崟r(shí)掌握比賽的狀態(tài)。這些因素綜合起來對競技機(jī)器人比賽裁判系統(tǒng)提出了很高的要求，主要體現(xiàn)在以下四方面。

（1）保障公平。

裁判系統(tǒng)的執(zhí)裁標(biāo)準(zhǔn)可以量化，執(zhí)裁尺度要統(tǒng)一，避免出現(xiàn)誤判、漏判等現(xiàn)象。

（2）提高效率。

通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判罰與結(jié)果輸出，提高執(zhí)裁效率。

（3）連貫性。

裁判系統(tǒng)在工作過程中可以直接對場上的機(jī)器人、比賽用品發(fā)出指令或自動(dòng)記錄得分情況，這樣減少了人工干預(yù)，保障比賽順暢連貫。

（4）觀賞性。

裁判系統(tǒng)可將比賽狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入直播系統(tǒng)，系統(tǒng)可以進(jìn)行比分顯示、舞臺效果控制（獲勝時(shí)燈光閃爍等效果），提高比賽的沉浸感和觀賞性。

2.1 裁判系統(tǒng)功能

自2015年開始，全國大學(xué)生機(jī)器人大賽（CURC）在ROBOTAC、RoboMaster、ROBOCON幾個(gè)賽項(xiàng)上進(jìn)行了實(shí)踐探索，針對比賽的特點(diǎn)及規(guī)則，開發(fā)出相應(yīng)的裁判系統(tǒng)。綜合幾個(gè)賽項(xiàng)的共性因素，競技機(jī)器人比賽裁判系統(tǒng)一般分為感知、傳輸、判斷、顯示5個(gè)功能模塊。

2.1.1 感知模塊

裁判系統(tǒng)的感知模塊主要是對機(jī)器人自身狀態(tài)、機(jī)器人與場地交互信息、機(jī)器人與比賽物品交互信息的采集，這些信息是比賽進(jìn)程和狀態(tài)的判斷依據(jù)。

（1）機(jī)器人狀態(tài)。

以ROBOTAC和RoboMaster比賽為例，二者的規(guī)則設(shè)計(jì)是以多人在線戰(zhàn)術(shù)競技（MOBA）游戲?yàn)榛A(chǔ)，機(jī)器人的任務(wù)及對抗方式也與游戲類似。因此機(jī)器人自身狀態(tài)的主要數(shù)據(jù)是“編號”和“血值”，表明在對抗?fàn)顟B(tài)下不同機(jī)器人的生命值HP（Hit Point）。機(jī)器人一般安裝有以加速度或力傳感器為檢測元件的生命柱，通過加速度變化率或作用力測量外界的擊打力量。比賽過程中，若測量值超過閾值則判定攻擊有效，則本方機(jī)器人“減血”，模擬物理傷害。減血狀態(tài)通過LED燈的顏色變化、燈柱長短、生命柱亮滅等進(jìn)行顯示。圖2是ROBOTAC競賽機(jī)器人的生命柱。

圖2 ROBOTAC競賽機(jī)器人生命柱

（2）機(jī)器人與場地。

機(jī)器人在比賽場地中的位置是比賽的一項(xiàng)重要信息，因?yàn)樗鼤绊憴C(jī)器人操作比賽物品、機(jī)器人之間交互、給操作手提供坐標(biāo)反饋等方面。ROBOTAC和RoboMaster均使用超寬帶技術(shù)（UWB），采用二維定位的方式在比賽場地之外放置定位信號基站，通過信號的到達(dá)時(shí)間差（TDOA）測得場地內(nèi)機(jī)器人精確的位置信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全場定位，定位原理如圖3所示。

圖3 基于TDOA的定位原理示意圖

（3）機(jī)器人與比賽用品

機(jī)器人完成任務(wù)或跨越障礙需要與比賽道具進(jìn)行交互。例如，需要感知到機(jī)器人擊打的堡壘、能量機(jī)關(guān)等比賽道具，其工作原理和生命柱相似；對于通道中的道閘、升降門開關(guān)，需要機(jī)器人設(shè)計(jì)有相應(yīng)的手抓和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作；機(jī)器人在“加血區(qū)”進(jìn)行“加血”時(shí)，需要通過射頻識別（RFID）或UWB技術(shù)進(jìn)行相對位置的標(biāo)定。

2.1.2 信息傳輸模塊

機(jī)器人感知模塊中采集到的各類信息，需要傳輸?shù)讲门邢到y(tǒng)中進(jìn)行綜合處理，競技機(jī)器人比賽一般采用無線傳輸方式?；诜€(wěn)定性、數(shù)據(jù)容量、采樣周期、通信距離、使用頻段、組網(wǎng)等要求，無線傳輸方式通常采用Wi-Fi方案。

RoboMaster比賽中還會將機(jī)器人視角下的圖像信息，通過無線圖傳傳輸?shù)讲僮髡叩碾娔X上，使操作手可以用第一人稱視角（FPV）進(jìn)行機(jī)器人操作。在電腦的操作界面上，還會疊加有機(jī)器人的狀態(tài)、位置、時(shí)間、對陣、賽場情況等賽事信息。

2.1.3 計(jì)算判斷模塊

信息感知和傳輸模塊一般是安裝在機(jī)器人和比賽用品上的硬件設(shè)備，計(jì)算判斷模塊則是集成在裁判系統(tǒng)中的上位機(jī)軟件。軟件的前端主要功能是進(jìn)行通信配置、比賽控制、結(jié)果顯示，后端則是將賽場上收集的各單元狀態(tài)信息進(jìn)行綜合處理，根據(jù)規(guī)則設(shè)定的判定原則，對機(jī)器人的得分、狀態(tài)、勝負(fù)進(jìn)行自動(dòng)判定與數(shù)據(jù)存儲。

例如，ROBOTAC比賽控制界面可以實(shí)現(xiàn)選擇比賽類型、手動(dòng)加減分、選擇學(xué)校、選擇道具的組別、控制投影顯示、比賽的開始/停止等配置和控制功能，如圖4所示。

圖4 ROBOTAC比賽控制界面

另外， ROBOCON比賽常使用的場景是：人工裁判通過多個(gè)攝像頭分別觀察記錄不同的得分點(diǎn)與得分，從操作終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲门邢到y(tǒng)匯總，根據(jù)規(guī)則設(shè)定的得分條件，自動(dòng)計(jì)算出比賽雙方的最終得分，并顯示在軟件中場地對應(yīng)的得分點(diǎn)位置，從而提高判斷的效率和準(zhǔn)確性。圖5為2021年在中國舉辦的第二十屆ABUROBOCON機(jī)器人比賽中使用的裁判計(jì)分匯總軟件界面。

圖5 2021ABUROBOCON比賽信息計(jì)分匯總界面

2.1.4效果呈現(xiàn)模塊

競技機(jī)器人比賽不僅場地大、機(jī)器人數(shù)量多、得分點(diǎn)分散，同時(shí)還要求機(jī)器人和場地道具的所處狀態(tài)、比賽時(shí)間、得分情況能夠?qū)崟r(shí)顯示在比賽現(xiàn)場的大屏幕和直播畫面上，便于裁判掌握和觀眾理解。

RoboMaster比賽充分借鑒了電競游戲設(shè)計(jì)，將對陣信息、比賽時(shí)間、得分狀態(tài)、機(jī)器人位置、比賽狀態(tài)等信息疊加到比賽視頻實(shí)時(shí)畫面中，具有很好的視覺效果。圖6是RoboMaster比賽實(shí)況畫面。

圖6 RoboMaster機(jī)器人比賽實(shí)況畫面

RoboMaster賽事通過利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR），對視頻畫面中的機(jī)器人進(jìn)行信息標(biāo)注和動(dòng)態(tài)顯示，將“血量”值疊加到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)畫面中，這樣有利于賽事進(jìn)程和效果呈現(xiàn)。疊加AR血條顯示的RoboMaster比賽畫面見圖7。

圖7 疊加AR血條顯示的RoboMaster比賽畫面

另外，比賽結(jié)束后，根據(jù)裁判系統(tǒng)記錄的各類信息，還可以顯示出參賽雙方的各類技術(shù)統(tǒng)計(jì)，便于選手和觀眾的理解以及對比賽信息的掌握。賽后技術(shù)統(tǒng)計(jì)如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 RoboMaster賽后技術(shù)統(tǒng)計(jì)

圖9 ROBOCON賽后單場技術(shù)統(tǒng)計(jì)

圖10 ROBOCON賽后綜合排名統(tǒng)計(jì)

2.1.5 視頻助理裁判

為避免因裁判系統(tǒng)不穩(wěn)定或人工裁判觀察不清晰導(dǎo)致的問題，競技機(jī)器人比賽一般設(shè)置有視頻助理裁判崗位（VAR），通過視頻監(jiān)控并全程記錄比賽中的關(guān)鍵得分位置、關(guān)鍵得分機(jī)器人等重要內(nèi)容。當(dāng)有比賽爭議、申訴情況時(shí)，裁判通過調(diào)取相應(yīng)場次的比賽視頻，可進(jìn)行多角度、慢鏡頭回放，作為判罰的參考依據(jù)。

綜合以上功能，一套完整的競技機(jī)器人裁判系統(tǒng)架構(gòu)如圖11所示。

圖11 競技機(jī)器人裁判系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 裁判系統(tǒng)發(fā)展趨勢

通過軟硬件結(jié)合方案，建立機(jī)器人、比賽用品、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)連接的裁判系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了比賽中各機(jī)器人、比賽道具狀態(tài)通過無線方式與裁判系統(tǒng)上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信，具有顯示比賽狀態(tài)和自動(dòng)記錄判罰的功能，減少人工裁判的誤判、漏判現(xiàn)象，有效地提高了比賽的公平性和觀賞性。

競技機(jī)器人比賽裁判系統(tǒng)未來的發(fā)展是對如何營造一個(gè)“公平、高效、有趣、熱血”的參與體驗(yàn)氛圍進(jìn)行不斷探索，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）將可量化的判罰自動(dòng)化。

結(jié)合技術(shù)的進(jìn)步，盡可能將規(guī)則中的定量描述（例如得分、到達(dá)位置、有效擊打、成功取放物品等），通過建立量化標(biāo)準(zhǔn)、完善算法，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、計(jì)算判斷，自動(dòng)得出準(zhǔn)確的判罰結(jié)論。

（2）不可量化的判罰數(shù)據(jù)化、智能化。

對于一些需要主觀的、定性的判斷（例如故意、阻擋、安全隱患、異常狀態(tài)等），通過豐富學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化判斷算法，給出判斷結(jié)論，供人工裁判參考。

（3）網(wǎng)絡(luò)化連接參與者。

比賽不僅關(guān)注輸贏，還應(yīng)該重視參與者在比賽過程中的體驗(yàn)。裁判系統(tǒng)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)可以和直播畫面、現(xiàn)場舞臺效果控制結(jié)合，將燈光、聲音、視頻等表演性元素融入更多藝術(shù)化、儀式感的設(shè)計(jì)；還可以和觀眾佩戴的智能硬件連接，將比賽狀態(tài)數(shù)據(jù)、觀眾參與進(jìn)行互動(dòng)性設(shè)計(jì)，讓參與者沉浸、投入其中，點(diǎn)燃激情、釋放熱愛。

3 科技與人文

無論是競技體育還是競技機(jī)器人賽事，規(guī)則中所提到的“當(dāng)裁判員認(rèn)為時(shí)”，都不可避免地需要依靠人的主觀判斷，當(dāng)面對哨令“可吹可不吹”的情形，該如何進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇？

圖12 2021ROBOTAC線上執(zhí)裁

在跆拳道比賽中，選手通常會佩戴電子護(hù)具，然而有些選手為了“適應(yīng)”感應(yīng)器的分布會提取練習(xí)專門的踢擊方法，目的是讓電子系統(tǒng)錯(cuò)判踢擊力度，這顯然違背了這項(xiàng)技術(shù)的使用目的，這種行為應(yīng)該如何避免？

一場機(jī)器人之間的競賽，其結(jié)果是否只是數(shù)據(jù)的匯總和模型的計(jì)算？在機(jī)器上運(yùn)行的裁判系統(tǒng)是否會受到黑客的攻擊？裁判系統(tǒng)是否會被開發(fā)者植入“后門”，留下作弊的空間？

人類的想象無限，但技術(shù)的發(fā)展會有局限性，在充滿創(chuàng)造性和不確定性的競技比賽中，高水準(zhǔn)的判罰需要對比賽具有“深度解讀”的能力，在“公平性、判罰效率、連貫性、觀賞性”方面努力做到平衡。正如人們所說：“一個(gè)好的裁判不僅僅是執(zhí)法者，也是藝術(shù)家，這也正是機(jī)器裁判和人工裁判的追求目標(biāo)” 。