智能可穿戴技術研究發展現狀

李 華 王 輝 何衍運 陳東義

1.廣州鐵路職業技術學院機電工程學院 廣東廣州 510430；2.廣州鐵路職業技術學院機車車輛學院 廣東廣州 510430

智能可穿戴設備是一種集傳感、處理、儲存和通信于一體，通過使用者與設備的接觸以獲取數據，并將數據進行實時傳輸或存儲的技術。1960年可穿戴設備的想法和原型出現以來，已歷經多年的發展[1]。21世紀，可穿戴設備進入了高速發展階段，引起各個行業的高度關注，并根據使用場景的需求，設計出相應的可穿戴設備。近年來，該領域主要集中在輕量化、自供電、小型化、集成化等研究開發上，智能穿戴設備在學術界、工業界、醫療界都提出了廣泛的應用，產生了巨大的經濟效益以及社會影響，目前已經迅速發展到健康監測、智能機器人、工業檢修等方面。智能可穿戴設備根據應用的設計形態不同可分為：頭戴式、手戴式、貼身式；根據應用的功能不同，可分為健康監測智能手環、體感控制等，不同功能的智能可穿戴設備如圖1所示[2]。智能可穿戴設備具備五個特點：(1)可在佩戴者運動時使用；(2)操作方便；(3)使用者外部衣物的組成部分；(4)用戶可實時保持控制；(5)實時可用性[3]。

圖1 多種智能可穿戴設備

1 可視化分析

隨著智能可穿戴技術的發展，其相關研究越來越多，相應的研究文獻也在不斷增多。針對目前智能可穿戴技術的相關研究進展問題，本文運用Web of Science網頁中的Analyze Results功能對近五年(2017—2021年)的相關文獻進行分析。以“Smart wearable devices”為主題詞對SCI核心數據可進行檢索，可以看到與“智能可穿戴設備”相關的文獻量由2017年的500篇增長到2021年547篇，文獻量統計如圖2所示。同時對2017—2021年收錄于SCI來源期刊中的“Article”類文獻進行檢索，共獲得1954條文獻數據，其中被引用總和達30112次。

圖2 文獻量統計

通過對文獻中的研究領域進行分析，2017—2021年智能可穿戴論文的領域分布有：材料科學、工程學、化學、科學技術、計算機科學、物理、醫療等領域。其中在材料科學、工程學、化學領域分布最多，分別有772篇、616篇、519篇?？梢钥吹浇迥曛悄芸纱┐髟O備及相關技術的研究引起了廣泛的關注，逐漸遍布多個領域。

2 智能可穿戴設備市場分析

隨著各項技術的不斷發展和融合，智能可穿戴設備迅猛發展。自2015年以來，全球智能可穿戴設備的出貨量保持高速增長，根據IDC最新數據顯示2020年全球智能可穿戴設備的出貨量達4.45億臺，并預測未來五年其復合增長率高達25%，2020年中國智能可穿戴設備出貨量1.07億臺，約占全球智能可穿戴設備出貨量的四分之一，IDC預計2025年中國智能可穿戴設備市場規模將達1573.1億元[4]。隨著圖像技術、人工智能、5G、互聯網等技術的快速發展，未來智能可穿戴設備的應用場景將更加廣泛，集成度更高。

我國智能可穿戴設備已經形成了從原材料到設備研發制造、產品銷售完整的生產鏈結構，可分為上、中、下游。上游主要為智能可穿戴設備提供智能硬件、軟件的技術支持；中游主要包括智能可穿戴設備廠商、科技公司、互聯網醫療企業等；下游主要是產品經銷商、醫療服務機構、工業檢修部門等。智能可穿戴設備的發展形勢良好，同時隨著工業技術的發展，在工業檢修領域對智能可穿戴設備的需求也逐漸增大。

Deloitte Wearables是一家以采礦現場為中心的可穿戴項目的公司，其設計了一種重量輕、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，同時還裝有對講機，促進了管理人員和礦工工作人員之間的溝通。智能可穿戴設備已經從最初的用于醫療保健、健康檢測拓展到工業領域?；诓傻V作業使用場所，可將智能可穿戴設備的應用拓展到其他工業領域，比如，應用于軌道交通行業中的檢修作業[5]。

3 當前存在技術瓶頸

在工業可穿戴應用領域已經開展了多項研究和原型設計工作，結合不同的檢修工作場所，智能可穿戴設備的設計有著相應的問題考慮。

3.1 運行穩定性

電池續航時間是工業可穿戴設備的關鍵問題。正常情況下，設備必須在不充電的情況下工作8小時以上。目前智能可穿戴設備的電池續航問題還面臨著很大的挑戰。同時在檢修環境中，Wi-Fi、藍牙、RF和4G/GPRS等多個無線網絡在同一空間內使用，網絡連接也要保持穩定，網絡訪問要簡單易用，易于部署。同時，在惡劣的工作環境下，可穿戴設備應考慮對極端溫度、濕度和沖擊的防護以確保穩定運行。

3.2 數據交互

在每個特定的工作段，檢修人員在操作過程中只能讀取非常有限的數據，如裂痕的位置、設備數據，可穿戴設備屏幕上顯示的完整信息可能會干擾檢修人員的注意力及操作能力。同時，觸摸屏和鍵盤數據輸入是數據交互場景的正常方式，但該方法不適用于工業檢修可穿戴系統。屏幕尺寸和穿戴方式無法支持復雜的數據輸入。在一些特定的作業場景中，語音和手勢可以作為很好的補充數據交互方式，例如，將語音用于一項數字命令，或產生通過敲擊設備的特定位置振動發出狀態警報，來提高數據交互的效率。

3.3 符合人體工學設計

由于可穿戴設備的特殊使用方式，尤其是頭戴式可穿戴設備，其設計不能過于笨重，否則影響檢修人員穿戴體驗。由于智能可穿戴設備是一個以人為中心的輔助設備，檢修人員在工作時需要進行大量手動操作，可穿戴設備應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不能被過多地限制。

4 鐵路領域：必要性分析

鐵路運輸是我國主要的交通運輸方式，隨著我國鐵路發展越來越成熟，軌道交通線路數量、設備不斷增加，鐵路檢修工作量繁重。鐵路系統安全運行的主要威脅是存在裂紋等缺陷和軌道錯位等幾何故障，如果不采取維護措施，設備故障可能會惡化，最終導致鐵路設備損壞，引發安全事故。鐵路設備的檢查與維護是一項必要的定期進行的控制程序[6]。通常，檢修工作是由專業的鐵路設備檢修員手動進行的，與所有基于人工的檢查一樣，這種檢查方式也存在漏檢、錯檢、勞動密集、檢查速度慢等問題。

4.1 操作復雜性

鐵路設備檢修員使用各種專業工具、穿戴防護裝備，從簡單的頭盔、防護手套到防護服，視實際任務的要求而定。環境條件可能會有所不同并且環境變動較大，影響工作環境的因素大多是噪聲、振動、變化和通常不利的照明條件等。檢修期間，檢修人員需要進行各種數據的處理，如檢查維護的操作數據、性能指標和來自信息中心的數據，以及設備狀態數據和設備歷史記錄，檢修工作還生成數據。有時還需要維護以外的其他方面的數據，如設備尺寸數據、工程數據或過程值。因軌道交通領域檢修工作的特殊性，企業采用內部專網保證數據安全性，檢修數據無法通過公用無線網絡進行上傳，通常使用數據線進行視頻、圖像等數據信息傳輸，再由信息中心工作人員對數據進行人工分類、整理、存儲，導致效率低，耗時長。檢修過程中，檢修人員無法同時錄像和雙手使用工具作業，檢修過程中往往需要一人作業一人錄制作業視頻，導致檢修效率低，需額外增加人工成本。

4.2 技術多樣性

鐵路運輸往重載化、高速化、高性能發展，鐵路設備的多樣化和鐵路運輸環境的復雜性，使得信息化、自動化等集成度較高的設備逐漸替代原有設備[7]，這就對鐵路設備檢修人員提出了更高的要求，需要從業人員熟記專業知識和擁有較高實作能力。在檢修工作期間，檢修人員需根據專業知識以及經驗去分析鐵路設備的故障及其損壞程度，但完全掌握設備相關數據是比較困難的。

通過與軌道交通行業專家一同分析目前鐵路領域檢修問題，其主要體現在：

(1)檢修過程攜帶工具繁多，對檢修過程中的操作難易有一定影響。

(2)負責人對現場作業具體情況的不明朗使得檢修一線與后臺對接存在障礙，影響檢修效率與質量[8]。

(3)傳統檢修工作中，企業中的各種作業、巡檢視頻往往采用數據線的方式上傳平臺。傳輸方式落后、速度慢，使企業在該環節中耗費大量不必要的時間。

結語

本文對智能可穿戴技術近十年的發展研究現狀進行分析，針對工業檢修提出了目前存在的技術瓶頸，淺析智能可穿戴設備的一些設計考慮。結合鐵路領域檢修現狀，設想利用智能可穿戴設備輔助人工檢修，提高檢修質量與效率。目前，許多智能可穿戴技術還屬于研發初期，在硬件材料和電池壽命方面的研究還沒有取得較大突破。相信伴隨著技術的進步，當前制約智能可穿戴設備在鐵路領域應用的問題將得到逐步解決。