智能可穿戴技术研究发展现状

李 华 王 辉 何衍运 陈东义

1.广州铁路职业技术学院机电工程学院 广东广州 510430；2.广州铁路职业技术学院机车车辆学院 广东广州 510430

智能可穿戴设备是一种集传感、处理、储存和通信于一体，通过使用者与设备的接触以获取数据，并将数据进行实时传输或存储的技术。1960年可穿戴设备的想法和原型出现以来，已历经多年的发展[1]。21世纪，可穿戴设备进入了高速发展阶段，引起各个行业的高度关注，并根据使用场景的需求，设计出相应的可穿戴设备。近年来，该领域主要集中在轻量化、自供电、小型化、集成化等研究开发上，智能穿戴设备在学术界、工业界、医疗界都提出了广泛的应用，产生了巨大的经济效益以及社会影响，目前已经迅速发展到健康监测、智能机器人、工业检修等方面。智能可穿戴设备根据应用的设计形态不同可分为：头戴式、手戴式、贴身式；根据应用的功能不同，可分为健康监测智能手环、体感控制等，不同功能的智能可穿戴设备如图1所示[2]。智能可穿戴设备具备五个特点：(1)可在佩戴者运动时使用；(2)操作方便；(3)使用者外部衣物的组成部分；(4)用户可实时保持控制；(5)实时可用性[3]。

图1 多种智能可穿戴设备

1 可视化分析

随着智能可穿戴技术的发展，其相关研究越来越多，相应的研究文献也在不断增多。针对目前智能可穿戴技术的相关研究进展问题，本文运用Web of Science网页中的Analyze Results功能对近五年(2017—2021年)的相关文献进行分析。以“Smart wearable devices”为主题词对SCI核心数据可进行检索，可以看到与“智能可穿戴设备”相关的文献量由2017年的500篇增长到2021年547篇，文献量统计如图2所示。同时对2017—2021年收录于SCI来源期刊中的“Article”类文献进行检索，共获得1954条文献数据，其中被引用总和达30112次。

图2 文献量统计

通过对文献中的研究领域进行分析，2017—2021年智能可穿戴论文的领域分布有：材料科学、工程学、化学、科学技术、计算机科学、物理、医疗等领域。其中在材料科学、工程学、化学领域分布最多，分别有772篇、616篇、519篇。可以看到近五年智能可穿戴设备及相关技术的研究引起了广泛的关注，逐渐遍布多个领域。

2 智能可穿戴设备市场分析

随着各项技术的不断发展和融合，智能可穿戴设备迅猛发展。自2015年以来，全球智能可穿戴设备的出货量保持高速增长，根据IDC最新数据显示2020年全球智能可穿戴设备的出货量达4.45亿台，并预测未来五年其复合增长率高达25%，2020年中国智能可穿戴设备出货量1.07亿台，约占全球智能可穿戴设备出货量的四分之一，IDC预计2025年中国智能可穿戴设备市场规模将达1573.1亿元[4]。随着图像技术、人工智能、5G、互联网等技术的快速发展，未来智能可穿戴设备的应用场景将更加广泛，集成度更高。

我国智能可穿戴设备已经形成了从原材料到设备研发制造、产品销售完整的生产链结构，可分为上、中、下游。上游主要为智能可穿戴设备提供智能硬件、软件的技术支持；中游主要包括智能可穿戴设备厂商、科技公司、互联网医疗企业等；下游主要是产品经销商、医疗服务机构、工业检修部门等。智能可穿戴设备的发展形势良好，同时随着工业技术的发展，在工业检修领域对智能可穿戴设备的需求也逐渐增大。

Deloitte Wearables是一家以采矿现场为中心的可穿戴项目的公司，其设计了一种重量轻、可安装在矿工头盔的后部或前部，装有用于检测空气中有害气体水平的传感器、辐射传感器、温度和湿度传感器等，同时还装有对讲机，促进了管理人员和矿工工作人员之间的沟通。智能可穿戴设备已经从最初的用于医疗保健、健康检测拓展到工业领域。基于采矿作业使用场所，可将智能可穿戴设备的应用拓展到其他工业领域，比如，应用于轨道交通行业中的检修作业[5]。

3 当前存在技术瓶颈

在工业可穿戴应用领域已经开展了多项研究和原型设计工作，结合不同的检修工作场所，智能可穿戴设备的设计有着相应的问题考虑。

3.1 运行稳定性

电池续航时间是工业可穿戴设备的关键问题。正常情况下，设备必须在不充电的情况下工作8小时以上。目前智能可穿戴设备的电池续航问题还面临着很大的挑战。同时在检修环境中，Wi-Fi、蓝牙、RF和4G/GPRS等多个无线网络在同一空间内使用，网络连接也要保持稳定，网络访问要简单易用，易于部署。同时，在恶劣的工作环境下，可穿戴设备应考虑对极端温度、湿度和冲击的防护以确保稳定运行。

3.2 数据交互

在每个特定的工作段，检修人员在操作过程中只能读取非常有限的数据，如裂痕的位置、设备数据，可穿戴设备屏幕上显示的完整信息可能会干扰检修人员的注意力及操作能力。同时，触摸屏和键盘数据输入是数据交互场景的正常方式，但该方法不适用于工业检修可穿戴系统。屏幕尺寸和穿戴方式无法支持复杂的数据输入。在一些特定的作业场景中，语音和手势可以作为很好的补充数据交互方式，例如，将语音用于一项数字命令，或产生通过敲击设备的特定位置振动发出状态警报，来提高数据交互的效率。

3.3 符合人体工学设计

由于可穿戴设备的特殊使用方式，尤其是头戴式可穿戴设备，其设计不能过于笨重，否则影响检修人员穿戴体验。由于智能可穿戴设备是一个以人为中心的辅助设备，检修人员在工作时需要进行大量手动操作，可穿戴设备应以提高工人检修效率为主，保证其操作不中断，所以检修人员的手部活动不能被过多地限制。

4 铁路领域：必要性分析

铁路运输是我国主要的交通运输方式，随着我国铁路发展越来越成熟，轨道交通线路数量、设备不断增加，铁路检修工作量繁重。铁路系统安全运行的主要威胁是存在裂纹等缺陷和轨道错位等几何故障，如果不采取维护措施，设备故障可能会恶化，最终导致铁路设备损坏，引发安全事故。铁路设备的检查与维护是一项必要的定期进行的控制程序[6]。通常，检修工作是由专业的铁路设备检修员手动进行的，与所有基于人工的检查一样，这种检查方式也存在漏检、错检、劳动密集、检查速度慢等问题。

4.1 操作复杂性

铁路设备检修员使用各种专业工具、穿戴防护装备，从简单的头盔、防护手套到防护服，视实际任务的要求而定。环境条件可能会有所不同并且环境变动较大，影响工作环境的因素大多是噪声、振动、变化和通常不利的照明条件等。检修期间，检修人员需要进行各种数据的处理，如检查维护的操作数据、性能指标和来自信息中心的数据，以及设备状态数据和设备历史记录，检修工作还生成数据。有时还需要维护以外的其他方面的数据，如设备尺寸数据、工程数据或过程值。因轨道交通领域检修工作的特殊性，企业采用内部专网保证数据安全性，检修数据无法通过公用无线网络进行上传，通常使用数据线进行视频、图像等数据信息传输，再由信息中心工作人员对数据进行人工分类、整理、存储，导致效率低，耗时长。检修过程中，检修人员无法同时录像和双手使用工具作业，检修过程中往往需要一人作业一人录制作业视频，导致检修效率低，需额外增加人工成本。

4.2 技术多样性

铁路运输往重载化、高速化、高性能发展，铁路设备的多样化和铁路运输环境的复杂性，使得信息化、自动化等集成度较高的设备逐渐替代原有设备[7]，这就对铁路设备检修人员提出了更高的要求，需要从业人员熟记专业知识和拥有较高实作能力。在检修工作期间，检修人员需根据专业知识以及经验去分析铁路设备的故障及其损坏程度，但完全掌握设备相关数据是比较困难的。

通过与轨道交通行业专家一同分析目前铁路领域检修问题，其主要体现在：

(1)检修过程携带工具繁多，对检修过程中的操作难易有一定影响。

(2)负责人对现场作业具体情况的不明朗使得检修一线与后台对接存在障碍，影响检修效率与质量[8]。

(3)传统检修工作中，企业中的各种作业、巡检视频往往采用数据线的方式上传平台。传输方式落后、速度慢，使企业在该环节中耗费大量不必要的时间。

结语

本文对智能可穿戴技术近十年的发展研究现状进行分析，针对工业检修提出了目前存在的技术瓶颈，浅析智能可穿戴设备的一些设计考虑。结合铁路领域检修现状，设想利用智能可穿戴设备辅助人工检修，提高检修质量与效率。目前，许多智能可穿戴技术还属于研发初期，在硬件材料和电池寿命方面的研究还没有取得较大突破。相信伴随着技术的进步，当前制约智能可穿戴设备在铁路领域应用的问题将得到逐步解决。