智能可穿戴技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

李 華 王 輝 何衍運(yùn) 陳東義

1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東廣州 510430；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院 廣東廣州 510430

智能可穿戴設(shè)備是一種集傳感、處理、儲(chǔ)存和通信于一體，通過(guò)使用者與設(shè)備的接觸以獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸或存儲(chǔ)的技術(shù)。1960年可穿戴設(shè)備的想法和原型出現(xiàn)以來(lái)，已歷經(jīng)多年的發(fā)展[1]。21世紀(jì)，可穿戴設(shè)備進(jìn)入了高速發(fā)展階段，引起各個(gè)行業(yè)的高度關(guān)注，并根據(jù)使用場(chǎng)景的需求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的可穿戴設(shè)備。近年來(lái)，該領(lǐng)域主要集中在輕量化、自供電、小型化、集成化等研究開(kāi)發(fā)上，智能穿戴設(shè)備在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、醫(yī)療界都提出了廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)影響，目前已經(jīng)迅速發(fā)展到健康監(jiān)測(cè)、智能機(jī)器人、工業(yè)檢修等方面。智能可穿戴設(shè)備根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)形態(tài)不同可分為：頭戴式、手戴式、貼身式；根據(jù)應(yīng)用的功能不同，可分為健康監(jiān)測(cè)智能手環(huán)、體感控制等，不同功能的智能可穿戴設(shè)備如圖1所示[2]。智能可穿戴設(shè)備具備五個(gè)特點(diǎn)：(1)可在佩戴者運(yùn)動(dòng)時(shí)使用；(2)操作方便；(3)使用者外部衣物的組成部分；(4)用戶(hù)可實(shí)時(shí)保持控制；(5)實(shí)時(shí)可用性[3]。

圖1 多種智能可穿戴設(shè)備

1 可視化分析

隨著智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，其相關(guān)研究越來(lái)越多，相應(yīng)的研究文獻(xiàn)也在不斷增多。針對(duì)目前智能可穿戴技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展問(wèn)題，本文運(yùn)用Web of Science網(wǎng)頁(yè)中的Analyze Results功能對(duì)近五年(2017—2021年)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。以“Smart wearable devices”為主題詞對(duì)SCI核心數(shù)據(jù)可進(jìn)行檢索，可以看到與“智能可穿戴設(shè)備”相關(guān)的文獻(xiàn)量由2017年的500篇增長(zhǎng)到2021年547篇，文獻(xiàn)量統(tǒng)計(jì)如圖2所示。同時(shí)對(duì)2017—2021年收錄于SCI來(lái)源期刊中的“Article”類(lèi)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，共獲得1954條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，其中被引用總和達(dá)30112次。

圖2 文獻(xiàn)量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)中的研究領(lǐng)域進(jìn)行分析，2017—2021年智能可穿戴論文的領(lǐng)域分布有：材料科學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)、科學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理、醫(yī)療等領(lǐng)域。其中在材料科學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域分布最多，分別有772篇、616篇、519篇?？梢钥吹浇迥曛悄芸纱┐髟O(shè)備及相關(guān)技術(shù)的研究引起了廣泛的關(guān)注，逐漸遍布多個(gè)領(lǐng)域。

2 智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)分析

隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，智能可穿戴設(shè)備迅猛發(fā)展。自2015年以來(lái)，全球智能可穿戴設(shè)備的出貨量保持高速增長(zhǎng)，根據(jù)IDC最新數(shù)據(jù)顯示2020年全球智能可穿戴設(shè)備的出貨量達(dá)4.45億臺(tái)，并預(yù)測(cè)未來(lái)五年其復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)25%，2020年中國(guó)智能可穿戴設(shè)備出貨量1.07億臺(tái)，約占全球智能可穿戴設(shè)備出貨量的四分之一，IDC預(yù)計(jì)2025年中國(guó)智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1573.1億元[4]。隨著圖像技術(shù)、人工智能、5G、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景將更加廣泛，集成度更高。

我國(guó)智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)形成了從原材料到設(shè)備研發(fā)制造、產(chǎn)品銷(xiāo)售完整的生產(chǎn)鏈結(jié)構(gòu)，可分為上、中、下游。上游主要為智能可穿戴設(shè)備提供智能硬件、軟件的技術(shù)支持；中游主要包括智能可穿戴設(shè)備廠(chǎng)商、科技公司、互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療企業(yè)等；下游主要是產(chǎn)品經(jīng)銷(xiāo)商、醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)、工業(yè)檢修部門(mén)等。智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展形勢(shì)良好，同時(shí)隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)檢修領(lǐng)域?qū)χ悄芸纱┐髟O(shè)備的需求也逐漸增大。

Deloitte Wearables是一家以采礦現(xiàn)場(chǎng)為中心的可穿戴項(xiàng)目的公司，其設(shè)計(jì)了一種重量輕、可安裝在礦工頭盔的后部或前部，裝有用于檢測(cè)空氣中有害氣體水平的傳感器、輻射傳感器、溫度和濕度傳感器等，同時(shí)還裝有對(duì)講機(jī)，促進(jìn)了管理人員和礦工工作人員之間的溝通。智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)從最初的用于醫(yī)療保健、健康檢測(cè)拓展到工業(yè)領(lǐng)域?；诓傻V作業(yè)使用場(chǎng)所，可將智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用拓展到其他工業(yè)領(lǐng)域，比如，應(yīng)用于軌道交通行業(yè)中的檢修作業(yè)[5]。

3 當(dāng)前存在技術(shù)瓶頸

在工業(yè)可穿戴應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了多項(xiàng)研究和原型設(shè)計(jì)工作，結(jié)合不同的檢修工作場(chǎng)所，智能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)有著相應(yīng)的問(wèn)題考慮。

3.1 運(yùn)行穩(wěn)定性

電池續(xù)航時(shí)間是工業(yè)可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題。正常情況下，設(shè)備必須在不充電的情況下工作8小時(shí)以上。目前智能可穿戴設(shè)備的電池續(xù)航問(wèn)題還面臨著很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)在檢修環(huán)境中，Wi-Fi、藍(lán)牙、RF和4G/GPRS等多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在同一空間內(nèi)使用，網(wǎng)絡(luò)連接也要保持穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)要簡(jiǎn)單易用，易于部署。同時(shí)，在惡劣的工作環(huán)境下，可穿戴設(shè)備應(yīng)考慮對(duì)極端溫度、濕度和沖擊的防護(hù)以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 數(shù)據(jù)交互

在每個(gè)特定的工作段，檢修人員在操作過(guò)程中只能讀取非常有限的數(shù)據(jù)，如裂痕的位置、設(shè)備數(shù)據(jù)，可穿戴設(shè)備屏幕上顯示的完整信息可能會(huì)干擾檢修人員的注意力及操作能力。同時(shí)，觸摸屏和鍵盤(pán)數(shù)據(jù)輸入是數(shù)據(jù)交互場(chǎng)景的正常方式，但該方法不適用于工業(yè)檢修可穿戴系統(tǒng)。屏幕尺寸和穿戴方式無(wú)法支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入。在一些特定的作業(yè)場(chǎng)景中，語(yǔ)音和手勢(shì)可以作為很好的補(bǔ)充數(shù)據(jù)交互方式，例如，將語(yǔ)音用于一項(xiàng)數(shù)字命令，或產(chǎn)生通過(guò)敲擊設(shè)備的特定位置振動(dòng)發(fā)出狀態(tài)警報(bào)，來(lái)提高數(shù)據(jù)交互的效率。

3.3 符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)

由于可穿戴設(shè)備的特殊使用方式，尤其是頭戴式可穿戴設(shè)備，其設(shè)計(jì)不能過(guò)于笨重，否則影響檢修人員穿戴體驗(yàn)。由于智能可穿戴設(shè)備是一個(gè)以人為中心的輔助設(shè)備，檢修人員在工作時(shí)需要進(jìn)行大量手動(dòng)操作，可穿戴設(shè)備應(yīng)以提高工人檢修效率為主，保證其操作不中斷，所以檢修人員的手部活動(dòng)不能被過(guò)多地限制。

4 鐵路領(lǐng)域：必要性分析

鐵路運(yùn)輸是我國(guó)主要的交通運(yùn)輸方式，隨著我國(guó)鐵路發(fā)展越來(lái)越成熟，軌道交通線(xiàn)路數(shù)量、設(shè)備不斷增加，鐵路檢修工作量繁重。鐵路系統(tǒng)安全運(yùn)行的主要威脅是存在裂紋等缺陷和軌道錯(cuò)位等幾何故障，如果不采取維護(hù)措施，設(shè)備故障可能會(huì)惡化，最終導(dǎo)致鐵路設(shè)備損壞，引發(fā)安全事故。鐵路設(shè)備的檢查與維護(hù)是一項(xiàng)必要的定期進(jìn)行的控制程序[6]。通常，檢修工作是由專(zhuān)業(yè)的鐵路設(shè)備檢修員手動(dòng)進(jìn)行的，與所有基于人工的檢查一樣，這種檢查方式也存在漏檢、錯(cuò)檢、勞動(dòng)密集、檢查速度慢等問(wèn)題。

4.1 操作復(fù)雜性

鐵路設(shè)備檢修員使用各種專(zhuān)業(yè)工具、穿戴防護(hù)裝備，從簡(jiǎn)單的頭盔、防護(hù)手套到防護(hù)服，視實(shí)際任務(wù)的要求而定。環(huán)境條件可能會(huì)有所不同并且環(huán)境變動(dòng)較大，影響工作環(huán)境的因素大多是噪聲、振動(dòng)、變化和通常不利的照明條件等。檢修期間，檢修人員需要進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的處理，如檢查維護(hù)的操作數(shù)據(jù)、性能指標(biāo)和來(lái)自信息中心的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備歷史記錄，檢修工作還生成數(shù)據(jù)。有時(shí)還需要維護(hù)以外的其他方面的數(shù)據(jù)，如設(shè)備尺寸數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)或過(guò)程值。因軌道交通領(lǐng)域檢修工作的特殊性，企業(yè)采用內(nèi)部專(zhuān)網(wǎng)保證數(shù)據(jù)安全性，檢修數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)公用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳，通常使用數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行視頻、圖像等數(shù)據(jù)信息傳輸，再由信息中心工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分類(lèi)、整理、存儲(chǔ)，導(dǎo)致效率低，耗時(shí)長(zhǎng)。檢修過(guò)程中，檢修人員無(wú)法同時(shí)錄像和雙手使用工具作業(yè)，檢修過(guò)程中往往需要一人作業(yè)一人錄制作業(yè)視頻，導(dǎo)致檢修效率低，需額外增加人工成本。

4.2 技術(shù)多樣性

鐵路運(yùn)輸往重載化、高速化、高性能發(fā)展，鐵路設(shè)備的多樣化和鐵路運(yùn)輸環(huán)境的復(fù)雜性，使得信息化、自動(dòng)化等集成度較高的設(shè)備逐漸替代原有設(shè)備[7]，這就對(duì)鐵路設(shè)備檢修人員提出了更高的要求，需要從業(yè)人員熟記專(zhuān)業(yè)知識(shí)和擁有較高實(shí)作能力。在檢修工作期間，檢修人員需根據(jù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)去分析鐵路設(shè)備的故障及其損壞程度，但完全掌握設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)是比較困難的。

通過(guò)與軌道交通行業(yè)專(zhuān)家一同分析目前鐵路領(lǐng)域檢修問(wèn)題，其主要體現(xiàn)在：

(1)檢修過(guò)程攜帶工具繁多，對(duì)檢修過(guò)程中的操作難易有一定影響。

(2)負(fù)責(zé)人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)具體情況的不明朗使得檢修一線(xiàn)與后臺(tái)對(duì)接存在障礙，影響檢修效率與質(zhì)量[8]。

(3)傳統(tǒng)檢修工作中，企業(yè)中的各種作業(yè)、巡檢視頻往往采用數(shù)據(jù)線(xiàn)的方式上傳平臺(tái)。傳輸方式落后、速度慢，使企業(yè)在該環(huán)節(jié)中耗費(fèi)大量不必要的時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)智能可穿戴技術(shù)近十年的發(fā)展研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，針對(duì)工業(yè)檢修提出了目前存在的技術(shù)瓶頸，淺析智能可穿戴設(shè)備的一些設(shè)計(jì)考慮。結(jié)合鐵路領(lǐng)域檢修現(xiàn)狀，設(shè)想利用智能可穿戴設(shè)備輔助人工檢修，提高檢修質(zhì)量與效率。目前，許多智能可穿戴技術(shù)還屬于研發(fā)初期，在硬件材料和電池壽命方面的研究還沒(méi)有取得較大突破。相信伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前制約智能可穿戴設(shè)備在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用的問(wèn)題將得到逐步解決。