基于物联网的智能化个体防护装备研究进展

张紫缘，衣 颖，郝丽梅，张宗兴，吴金辉

（军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，国家生物防护装备工程技术研究中心，天津 300161）

0 引言

个体防护装备是指在劳动生产过程中使劳动者免遭或减轻职业危害而提供的个人保护用品，关系到个人的生命安全和身体健康[1]。个体防护装备的概念源自航空救生装备，是航空器在飞行过程中发生紧急情况时进行安全救生的保障系统。随着防护技术的发展和防护要求的提高，个体防护装备从专业防护领域向日常民用领域渗透，逐渐扩大到每一个具有潜在危险的公共场所[2]。

传统个体防护装备受基础材料固有特性的制约，在防护效果、作用时间等方面存在不足。纳米材料、特种材料等新材料的出现推动了个体防护装备产品的革新[3]，从材料和结构方面进行改造以满足不断提高的防护性能需求。例如，原总后军需装备研究所[4]研发的聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene，PTFE）复合膜耐久型医用防护服和超微细纤维高效滤材口罩，在保持空气流通的同时提高了阻隔病毒和细菌的性能。个体防护装备的使用场景往往存在多种危险因子，为满足作业人员的防护需求，防护装备正从单一防护向多功能一体化防护转变[5]。柯昌海[6]设计的多层式吸附灭菌口罩，通过4层不同材料滤芯，将防尘口罩与防菌口罩相结合，使其同时具有过滤空气细小颗粒和强力杀菌的能力。近年来，物联网技术得到跨越式发展，成为继计算机、互联网和移动通信网之后信息产业的第三波浪潮，受到了国内外的广泛关注与高度重视[7]。物联网作为互联网和通信网的拓展应用和网络延伸[8]，为个体防护装备的智能化赋能提供了可能。通过物联网技术，个体防护装备集成了多种传感检测、参数控制及双向通信器件，采集用户的实时数据信息并通过无线传输技术发送给移动智能终端，实现前端感知、后端可视的目标，以提高数据信息交互能力和个体防护装备的整体效能。本文从物联网技术促进智能化个体防护装备发展的角度，综述相关领域的研究进展，并对基于物联网技术的智能化个体防护装备发展进行展望。

1 国外智能化个体防护装备发展现状

国外对智能化个体防护装备的研究起步较早，各国相继在军用、医用等领域投入大量人力、物力和财力，从设备种类到应用形式上都取得不少创新成果。未来战场正逐渐向信息化、数字化方向转变，传统士兵作战单元概念产生了质的飞跃，单兵系统作战能力的高低直接决定了战场整体战斗力的强弱。早在2000年，美军就推出以“陆地勇士”为代表的单兵综合战斗系统（如图1所示）[9]，将可穿戴的微型计算机、传感器、侦察成像装备、通信导航设备嵌入单兵战斗头盔与防护装备中，通过无线局域网进行装备间点到点式交互联络，完成信息的采集、处理和发送。装备存储作战地区地图并通过全球定位系统（global positioning system，GPS）在头盔显示器上共享实时位置信息，指挥中心可通过信息数据链将作战命令、最新敌情发送至可穿戴计算机并在头盔显示器上可视化显示[10]，有效提高单兵在战场上指挥通信、导航定位、态势感知、协同行动、自身防护等综合战斗能力。然而，当士兵执行任务时，携带过多装备和物资会增重负荷、降低行军速度，甚至影响士兵的机动灵活性和持续作战能力，因此，传感器轻量化和功能模块微型化研究成为必然趋势。

图1 “陆地勇士”单兵战斗系统[9]

视觉系统国际公司（Vision Systems International inc，VSI）制造的F-35新型头盔显示系统（helmet mounted display system，HMDS）（如图2所示）与驾驶员、机载传感器等紧密相连，将目标信息、关键飞行数据等作战基本元素整合到头盔中，方便飞行员更全面地了解飞行态势[11-12]。通过座椅上的磁场发生器产生的磁场检测头盔方位，当头盔在磁场中运动时，头盔接收器会测量接收到的磁通量，从而判断当前飞行员的观察方向，实现周围环境的空间定位。通过头盔上的夜视摄像头、航电设备及光电设备等采集飞行目标关键信息并叠加在头盔夜视显示图像上，拓宽飞行员视野范围，实现头盔与摄像机之间的信息交互及飞行信息监测[13]。随着对微型传感器和智能纺织技术的深入研究，智能装备真正实现了“穿着于身”的目标，提升了作战人员态势感知、数据可视化和指挥通信等能力[14]。然而，在现代高技术战争条件下，如何保证通信稳定不受干扰和数据信息传输安全可靠成为又一重要研究课题。

图2 美军F-35新型头盔显示系统[11]

除了集成众多智能装备的单兵作战系统，各国对单个军用智能化个体防护设备也展开积极研究。哥伦比亚Lemur Design Studio公司研发了一款名为Save One Life的智能防护鞋，在鞋底安装了金属探测传感电路，当发现疑似地雷的大块金属磁场反应时，与鞋子连接的智能手表就会发出警示信息，提示可疑物位置[15]。英国的Intelligent Textiles Ltd公司设计了一款名为Spirit的智能防弹服，将电子设备通过纺织嵌入到织物中，增加生命体征参数采集功能，同时通过无线局域网使穿戴者成为可移动的网络节点，为智能穿戴设备采集所需数据提供数据连接[15]。恶劣的战场环境对智能化个体防护装备中各传感器的抗破坏性、耐腐蚀能力和信息传输效率提出了更高的要求，反向推动了物联网技术的发展。

在医用领域，Balakrishnan等[16]设计了如图3所示的能进行人体呼吸监测的防护口罩，采用石墨和纯银纳米颗粒制作纸基湿度传感器并固定至外科口罩中，利用纸张的吸湿特性将由呼吸引起的口罩内湿度变化转化为电信号，并将数据记录通过接口传输至计算机，通过监测电信号的变化确定呼吸方式及频率，实现佩戴口罩时呼吸状况的长期连续监测。美国佐治亚理工学院的研究人员设计了一款可探测有毒介质的防护服，当防护服中的光导纤维传感器接触到生化战剂、有害气体或其他有毒介质时，可向穿戴者发送报警信号，对在高危生物污染区作业的医护人员进行全身防护与及时预警[17]。物联网技术为个体防护装备设计提供了新的发展思路，推动了功能性防护装备的创新。将物联网技术与服装设计结合起来应用于医疗、生物防护等领域，加强用户与数字世界之间的沟通联系，增强防护装备对用户生命健康的保障能力，具有广泛的应用前景。

图3 能进行人体呼吸监测的防护口罩[16]

2 国内智能化个体防护装备发展现状

与国外相比，虽然我国对智能化个体防护装备的研究起步较晚，但是也取得不少进展。军用方面，我军自主研发的第三代直升机飞行员综合显示头盔突破单一防护功能，不仅可以作为防碰撞、防眩光和防噪声的卫生防护装备，还可以作为信息控制平台，具有通信、瞄准、夜视、跟踪目标、控制武器等智能化作战功能，为飞行员提供实时数据支持，增强飞行员对战场态势的感知能力[18]。郭劲松等[19]研制了具有单兵生命状态远程监视及定位功能的作战防护服，利用传感技术在防护装备中采集心电信号、体温数据及GPS定位，通过扩频通信芯片组实现生命信息和位置信息的远程无线传送，用于战场伤员的搜寻、急救。韩志海等[20]设计的海上单兵状态监测作战服，通过组装高级环境传感器、无创性生理传感器和信息处理系统，可连续监测士兵生命体征并分类评估其生理状态，以便指挥人员对部队战斗力情况进行准确判断，及时调整兵力部署。王川等[21]研发的单兵智能防护头盔，使用智能骨导听觉反馈技术，在柔性外壳中增设立体声骨导传音振子、脑电信号提取装置和控制模块，通过发送特殊声音作为刺激信号，对人机体神经系统的调控和化学递质的释放产生影响，缓解精神压力，改善深海密闭空间作业人员的认知效能和情绪状态。任智源等[22]提出分布式可穿戴单兵作战信息防护装备，其系统网络架构如图4所示，将士兵身上各智能防护装备设置统一应用接口与接入管理规范，实现监测战场数据信息在外部应用设备上的互联互通，例如，将智能鞋监测到的地雷信息实时同步到士兵智能腕表、智能头盔显示屏，并通过云计算中心传输至作战指挥部，从而对战场态势及危险进行综合评估，便于精确化作战指挥。随着人工智能、大数据、云计算等革命性新技术的进步，现代战争形态由信息化加速向智能化、网络化、数据化转变。运用信息感知技术与传输技术为单兵防护装备赋能增效，使之在传统防护能力的基础上，进一步使穿戴人员与装备平台、作战网络系统深度融合，基于通信联络、传感检测、数据处理等功能实现人员、装备、网络的自主连接和实时交互，提升作战体系整体效能，以期在未来战场上发挥更大的作用。

图4 分布式可穿戴单兵作战信息系统网络架构[22]

医用方面，姜慧敏等[23]提出将具有心血管及心率感应功能的电子元件进行纺织化加工处理并嵌入医用防护服，使原先体积庞大、不易移动的医疗检测设备便携化，减轻原始检测器的负重感，同时将收集的生理信号转化为电信号，通过织物纤维传导到医用防护服微型显示屏上，对穿医用防护服的工作人员的心率及心血管情况进行持续监测，以保障医护工作者的生命健康。颜良德[24]发明了一种自带新风系统智能化的防护服，通过进出气过滤模块、抑制细菌过滤层和新风系统装置改善防护服通风循环及病毒隔离效果，通过卫星定位模块、环境感知模块、生物生理指标监测模块进行状态监测，通过通信模块、语音识别模块及人机交互界面进行远程控制与信息交互，进一步提高防护服穿戴的舒适性、安全性与智能控制效果。张梦华等[25]设计了一种与智能显示辅助设备联用的呼吸系统传染病防护服（如图5所示），防护面罩四周与防护帽体紧密结合，透气孔通过氧气管与背部氧气瓶连接，有效降低病毒入口的概率，降低医护人员的感染风险。在防护面罩外部安装摄像头以采集外界图像信息，面罩内侧设置图像显示模块并与摄像头建立无线信号连接，避免出现医护人员呼吸过程中水蒸气在防护面罩上凝聚导致视线受阻的情况，进而提高操作准确性及医护人员工作效率。智能化个体防护装备不仅将孤立的个人与数字世界连接起来，实现个人状态信息实时可视化监测，保护用户的生命安全健康，还可以为医疗领域智能化发展提供基础数据支撑。对于智能化防护装备采集的数据信息，除在应用程序可视化呈现、对用户健康状况作出及时反馈外，还可以进一步挖掘与分析，为用户提供健康管理服务，并考虑接入远程智慧医疗系统，打破时间与空间的限制，为用户提供更加便捷的医疗服务，改善医疗资源紧缺与分布不均的现状。随着物联网技术的进步和新材料的出现，作为材料、物理、生物等多学科综合应用的产物，个体防护装备在满足作业人员基本安全防护需求的基础上不断向智能化和精细化方向发展，在应对安全生产、应急救援、防灾减灾和公共卫生等突发公共事件方面发挥了重要的作用。

3 智能化个体防护装备存在问题及发展趋势

3.1 智能化个体防护装备存在问题

图5 智能显示辅助设备联用的呼吸系统传染病防护服[25]

乘着物联网技术飞速发展的东风，个体防护装备已在国内外不少领域实现智能化应用，但是仍然面临着以下问题：（1）厚重的个体防护装备在一定程度上限制了行动敏捷性，作业人员长时间穿戴工作负荷重，容易加剧精神主观疲劳，甚至可能产生焦虑，造成认知损伤[26]。（2）在应对烈性传染病疫情时，为更好地实现保护功能，个体防护装备往往设计成密闭空间，增加了穿戴人员之间的交流难度，限制了其与外界的通信，视觉范围受限以致危险信息无法及时接收[27]。（3）某些特殊领域的个体防护装备，如与生物安全相关的正压生物防护服、防护头罩等在互联互通方面发展较慢，需要考虑从最新研究技术出发对个体防护装备进行智能化应用[28]。

3.2 智能化个体防护装备发展趋势

3.2.1 采用新型传感技术，提高装备综合效能

智能化个体防护装备中的温湿度、压力等传感器作为状态监测装置已被广泛使用，集成电子技术、纳米技术使传感器向更加柔软、微型、轻量级、高精度方向发展，为智能化个体防护装备发展提供支撑[29]。在个体防护装备中，采用新型传感技术能最大限度实现与防护装备的无缝整合[30]，降低人体负荷的同时弥补传统智能化个体防护装备在精准灵敏性、舒适耐久性、维护方便性、可重复性和集成可能性等方面的不足[31]，有效提高装备的综合效能。

3.2.2 采用灵活可靠的通信技术，提高智能化装备交互性

个体防护装备中的语言反馈闭环交流尤为重要，可使用多类型协议专用网络进行数据信息传输交互及生理体征实时监测，有危险时发出信号，确保人员安全[32]。可采用灵活可靠的通信技术解决信号信噪比低、传输距离受限等问题，用于复杂环境下防护装备监测预警，加强用户隐私和数据安全保护[33]，为大量设备接入物联网提供快速、稳定且覆盖面广的网络服务[34]。将通信技术应用到防护装备中，可提升防护人员与外界信息的交流效率，提高智能装备的交互性，推动个体防护装备建设[35]。

3.2.3 采用数据处理技术，提高装备自主判断能力

个体防护装备采集数据除状态监测外，还可利用数据处理技术进行计算建模，高效处理复杂数据并提取高质量关键信息，通过迭代计算优化决策，提高控制能力，形成可继承知识库。使用大数据技术进行精准科学预测[36]可以判断未来健康发展趋势，探讨医学健康数据与疾病潜在相关性，提供个性化个体健康管理与诊治服务，提高智能化个体防护装备自主判断能力，为后续指挥策略优化及效率提升提供理论支撑[37]。

4 结语

物联网技术的高速发展推动了智能化个体防护装备的发展，智能化个体防护装备在航空、单兵作战等特殊军用尖端领域得到应用，且在医用、生物防护等领域逐渐推广。应抓住新一代移动通信技术与智能可穿戴设备的跨越式发展契机，加强物联网技术与个体防护装备的深度融合，利用新型传感器技术、5G通信技术、云计算和大数据技术等先进技术，构建安全性、舒适性的个体防护装备智能化发展体系架构，以应对复杂多变的突发公共事件，实现信息互联互通，提升安全防护科学监管能力，为科学精准施策提供支撑。