智能可穿戴设备在消防救援中的研究进展

李文馨，张帅，易博，胡岚

（1.长沙理工大学设计艺术学院；2.长沙理工大学智能信息系统与社会服务创新研究中心，湖南 长沙 410004）

消防救援是一项危险而关键的任务，消防员常常需要在极端条件下工作，如高温、有毒气体和烟雾中。为了提高消防员的工作效率和安全性，智能可穿戴设备已成为一个重要的研究领域。本文将探讨这一领域的研究进展，包括应用、技术特点、优势和未来发展趋势。

1 智能可穿戴设备概述

1.1 智能可穿戴设备的定义

智能穿戴设备是一种将穿戴技术和传感器集成的新型设备，它改变了旧有的先采集样本再进行检测的方式。比如，智能手环、手表、智能眼镜、智能头盔和服饰等。随着科技的进步和智能硬件的发展，智能可穿戴设备已经能够用于监测和评估生命体征以及运动情况。唯有进一步推广智能化设备在消防救援工作中的应用，实现新型智能化设备在消防工作中的全面覆盖，才能够实现消防救援的高效安全，提高作战时的安全指数和科学的指导训练方法。

1.2 智能可穿戴设备的发展

我们主要使用智能穿戴设备来追踪运动健康与生物生命信号，其内置的传感器可以读取体内脉搏、pH 值等多种信息。可穿戴设备对于汗液和物理指标的检测分析较多,商业化产品多为检测物理指标的可穿戴设备。在火灾营救的情况下，智能穿戴设备可以对营救者的身体状况以及行为做出实时评估，以减少潜在的致命伤害风险。现在应用于火灾营救的智能穿戴设备包含智能消防头盔和梅思安智能呼吸器等。

2 智能可穿戴设备的类型

2.1 手部穿戴类设备

智能手环。智能手环可以对人体心率、血氧、脑电等生命体征信息进行一定程度上的搜集。这类可穿戴设备的设计是直接接触身体皮肤的，主要通过固定的传感器进行工作，内嵌Wi-Fi 和蓝牌等通信模块负责数据传输。在火灾救援中，我们在原有智能手环的基础上提出了改进版的消防智能便携式系统，它对运动、心率监控模块和电池模块进行了升级，并对GPS 定位芯片做了一些增强处理。救援人员在救援现场的行为、火场环境、人员生物信息等与人员在火场中是否处于危险状况密切相关，人体某些异常行为可能诱发危险，例如，跌倒、局部高温、心跳过快或过慢等都与现场人员的安全状况密切相关，因此对人员在火场中的多种行为、其生理信息进行监护具有现实意义。智能可穿戴设备的实时监测、环境感知、通信连接等功能特点已经被市场接受。智能可穿戴设备已经被广大市场接受，主要因为它具有实时监控、环境感知及通信连接等多项功能特性。使用这种智能手环可以进行消防员和疏散人员的心率检测，使用的主要方法是光电反射和投出测量法，但是这种方法存在缺陷，例如，高耗电量以及容易受到环境光和运动状态的干扰，因此我们还需要不断优化产品性能，提升抗干扰能力，从而在一定程度上降低火灾救援时可能发生的伤亡情况。

在灭火救援行动中，智能手环能够做到实时定位，让总指挥者精确地掌握每个消防员的位置信息，灵活部署。火灾区域的位置必须准确，并结合消防单元的三维图像。通过三维图像的组合单元的图像和定位的智能手环,指挥官可以了解信息,每个消防救援人员的实时定位,确保火灾形势完全能够实现灵活的指挥和救援人员部署情况。实际的消防救援要依赖各种救援装备与救助设备，消防救援装备对于整个消防机构以及消防工作有着不可或缺的作用。

2.2 头部穿戴类设备

（1）以Google Glass 为例，它的构造包含处理器、微投影机、传感器、摄像机、操作设备和存储设备等元素。其性能方面与消防智能头盔中的部分智能模块相似，在消防救援中，智能便携式设备已经可以用于监测生命体征和监测消防员的行动。

基于视觉的多功能可视化头盔的设计范式，被用于制作智能头盔。智能头盔被广泛运用在消防部队中。这一设备的设计借鉴了海外技术，并融合了一个能够检测有害气体的智能模块，附加了一个可燃气体报警系统和一个触觉感知及警示系统模块。信息可视化方面，智能头盔还设置了一个头盔显示器,并增加头盔子处理器。将红外成像单元集成到智能头盔中，用于收集数据，并将收集的数据传送到显示设备和子处理器。头盔内部设有气体检测报警单元，能够对可燃、有毒气体的浓度和类型进行分析，并且将分析数据传输给子处理器。报警单元可以根据子处理器传输的高低浓度值进行报警，并反馈给子处理器。

此外，采用免提呼叫系统将语音数据传输到子处理器，通过集成电路连接智能头盔各子单元，实现无线通信模块。在显示方面，头盔显示装置负责显示接收的数据并且增加了振动功能，在复杂的火灾救援情况下，人的注意力容易分散或者高度紧张于一处，此振动功能能够及时提醒消防人员查收火场消息并做出应对措施，减少不必要的伤亡。在头盔内装置智能导航定位技术设备，如RFID 定位技术，可以进行语音播报导航，事先要对于方位用官方的普通话做成语音包，要通过嵌入式控制系统，具有口令导航功能能够与人进行语音交互，为佩戴者带来更加人性化的服务，从而降低火灾救援现场的伤亡率。

（2）智能呼吸器是一种经过改进的标准呼吸器，通过增加无线通信模块、气压传感器以及智能空气呼叫子处理器，使其具备智能化功能。基于现行的呼吸器，我们在子模块上添加了新的数字压力检测模块，并把数据传输给呼吸器的辅助处理单元。所在的空气呼吸器的这个辅助处理单元已经集成了无线通信模块，通过它来计算瞬间气体消耗速度和气瓶剩余压力，由此得出剩余的使用时间。智能呼吸器的通信方式是将全部模块和智能空气传感器通过蓝牙的方式发送空中数据、集成电路和气瓶来进行响应，中央处理器控制中心的无线通信用来传输数据通信控制系统。

2.3 可穿戴计算机

可穿戴计算机。就现状而言，全球学界和各种商业应用领域对于可穿戴计算机设备并未形成共识和权威性定义，每个研究人员在提供定义时也有自己的关键点。而最具影响力的定义则源于麻省理工学院的T.Starner，他主张，可穿戴计算机设备理应是一项使计算机微型化并嵌入人体衣物或其他随身物品的技术。这类设备通常使用服装套装、眼镜、手表等物品作为支架，将计算机和传感器等部件整合其中，通过无线传播等技术，为人类提供信息服务。其与传统的计算机相比较，智能可穿戴计算机方便携带并且灵活性及高，最重要的是可以将可穿戴计算机根据实际情况装备在身体的不同部位，具有携带便利性、操作便利性以及能够实现稳定无限交流的优势。

智能穿戴式计算机设备能协助消防救援队伍洞察周围火场的环境状态，这使得救援队员能快速且准确地识别出火灾现场中存在较大威胁和火势更激烈的区域，能准确地避开这些危险区域，保障消防救援队员的生命安全。相较传统的依赖经验的判断，智能穿戴式计算机的数据处理更有效，例如，在烟雾浓重的火场中寻找出口或在视线受限的情境下，智能穿戴式计算机能够更及时地协助消防救援队员排除安全隐患，保证救援任务能够顺利进行。

再者，智能穿戴设备在救援任务中也扮演着保护角色，以前，我们只能依靠培训来了解消防员的身体状况，如脉搏和呼吸等，然而，在科技发达的今天，这些生理数据的收集和传输，再到管理员的管理和调度，是颇为耗时的过程，若是在火势猛烈的火场中，可能导致消防救援人员的人身安全受损。而智能穿戴设备的出现，却让管理人员能透过数据库，对每个消防员的身体状况做即时的监控和了解，根据现场实况和消防员的生理状况做出人员调度，确保人力资源的最佳分配，大大巩固了消防员的人身安全保护。

关于运输问题，该设备并不会妨碍消防救援人员的任务执行，也无增添其负担。事实上，其能提供某些保护作用，能够增强救援工作人员在火场中的安全环境。操作方式非常直观，只要用声音或手势就可以操控设备。尽管我国现在还是以对讲机为主要的消防员以及指挥部之间的交流沟通方式，但其限制条件很多，比如。通信范围必须小于50m，甚至在环境复杂的火灾现场可能会出现通信不稳定的问题。但是，这项可穿着的智能计算机是利用无线网络进行信息交换的，可以将现场的图片、视频以及相关文字描述发送至指挥中心，因此能够协助中心的管理层根据实际状况进行指挥作业。所以总的来说，它可以实现无线稳定的交流，还可以实时定位，与团队取得沟通，提高火场救援效率，使得消防救援工作顺利进行。在信息数据显示上，可穿戴计算机能够通过液晶显示器来反映，实现传输和共享。

综上所述，智能可穿戴设备其实除了以上举例的几种，还有一些智能服饰和耳戴式设备，它们在执行消防救援任务时，运用这些智能技术和设备有助于显著提升救援和疏散人员的效率与安全度，降低恶劣环境对救援的影响，从而使消防救援任务能更顺利地进行。这类智能穿戴设备在火灾救援现场发挥了重要的辅助作用，协同消防人员执行搜索和救援等任务，极大地提高了救援效率。

3 智能可穿戴设备的发展趋势

未来智能可穿戴设备的发展趋势除了提高其功能性能外，还应该在价格、隐私保护以及续航时间上有所改变和提升。由于现阶段智能化产品消费高导致在很多环境下智能采取低廉的设备进行工作，但是这降低了效率，阻碍了工作的顺利开展，例如，国外的谷歌眼镜，由2014 年在网上开始预售，但是其产品价格高达约9000元人民币，价格昂贵导致购买量不是很大，产品难以得到推广。所以，智能可穿戴设备产品除了在质量上的提升，更多的是降低成本。智能可穿戴设备还存在续航问题，大部分产品续航时间不够，这样就会使得消防救援工作的难度提高，不利于救援。现存的续航较好的设备比如Apple watch，其续航时间为18h，但是相对于传统手表而言，传统手表的电池可以数月甚至更久才更换一次，所以18h 的续航时间还是相对较弱。现有智能手表的蓝牙同步数据功能依旧存在缺点。手持设备有高要求，为支撑和数据挖掘分析能力,并可为用户提供一个良好技术支持的可靠信息,最简洁的形式来满足用户对更多的功能,从而增加市场产品竞争力的必然选择。从这一点可以得出，好的智能化产品不仅注重其外表和功能的设计，也还要注重其节能续航和链接问题。如何使得智能化可穿戴产品更加节能也是未来的一个发展趋势。智能化可穿戴设备最重要的一点也就是对信息的保护和隐私性。如果系统被入侵，则会被行为不轨的人操纵，导致不必要的伤亡和意外事故的发生，如果不对用户的个人信息、心率、实时位置等加以保密和隐私化的话，则会被别有用心之人利用。因此，如何加强智能可穿戴设备的隐私化，使其更加安全化也是未来发展趋势之一。

4 结语

目前，消防智能便携式系统和设备可用于监测消防员的生命体征，还可以进行实时定位、信息传输和共享，用于辅助作战来保障消防人员的生命安全。在灭火救援训练中，还可以记录一定的运动数据，保障训练安全以及可以辅助制定适应于特殊情况下的训练计划。在未来发展中，智能可穿戴设备可能将以智能芯片的形式植入人体内,可以实现交流沟通、实时导航定位和信息资源传输共享等，提高工作效率，对未来的发展有一定的价值意义。