探讨可穿戴技术的广泛应用

航空航天及国防专家全面采用最新可穿戴电子设备来提高效率和生产力。

可穿戴电子产品是一项技术奇迹，其应用正在遍及世界各地。商业成品（COTS）可穿戴技术产品如智能手表、智能眼镜、健康监测器以及智能手环层出不穷，甚至吸引了那些原本不看好这项技术的人们。

据美国麻省Framingham的国际数据资讯公司（IDC）的分析专家预计，从2014年的2640万套货运总量来看，本年度将会有7210万套可穿戴设备被运往各地。可穿戴智能设备“随着用户端、用户体验和需求的发展而发展，这些将提升人们对智能可穿戴设备的期望值，尽管愿景尚未实现，但是已初现端倪。”IDC公司的可穿戴技术研究部经理Ramon Llamas说道。

新的技术需要时间催熟。从创新到主流应用的路途漫长，尤其是在航空航天和国防领域的应用。对于军方和航空航天组织的成员，包括战地士兵而言，想要（迫切期待）将他们个人生活中使用的高科技产品融于他们的职业生活中非比寻常。今天的航空航天和国防专家想要的是触手可及的、便携而功能强大的智能产品。

可穿戴产品开始更加广泛地应用于航空航天和国防领域，而且这些应用“随着技术日趋成熟会在未来几年内更加发展。”芝加哥的Accenture公司的北美航空航天和国防贸易部经理John Schmidt这样说道。

Schmidt看出国防合同商和航空航天生产厂商对这项技术有着极大的兴趣，他们想要开发这项技术。

“行业正在迅速地与全数字化思维全面接轨，可穿戴设备和技术是这个行业主导趋势的关键引领者。可穿戴技术提供关键信息的快速通道，提升质量，并有助于提高协作。这项技术推进了现有的工作流并在行业多个层面开启了新的机遇，这项技术还可以提高劳动生产力，减少失误风险，免除移动需求。这项解放双手的技术还提高了复杂装配或维修作业的安全系数。”

位于法国Toulouse的商用飞机设计厂商Airbus公司提供了一个真实世界样机来展现可穿戴技术的应用——这项应用将在未来几年期内得到加速发展，Schmidt如是预言。

图1 加拿大武装部队用谷歌平视显示器和智能电话测试分散运行时点对点移动网络

Airbus公司的技术应用

“Accenture和Airbus公司已经为航空航天和国防领域开发了最具吸引力和时效性的可穿戴设备应用，”Schmidt说。这两个公司使用最新可穿戴技术取得了一个概念验证，协助Airbus公司降低舱位装配的复杂度，以及减少完成这项任务所花费的时间。

“在这项成果中，一个熟练工可以佩戴数字化工业级智能眼镜提高精确度，降低完成座舱座位标记所需的工作时间。使用连贯的标记指令，智能眼镜为工人显示所需的所有信息，以便于更快地标记地面并将失误降低为零。” Schmidt补充说道，“Accenture公司完成的眼戴技术还可以提供交互性，通过对特征专用通道的认可来实现，包括条形码扫描、从云文件中恢复信息、声音指令以及增加真实性。”

装备了可穿戴电子设备，每个飞机座椅位置被单独标记，精细到毫米，准确度和质量也达到了如上要求。Airbus公司每架飞机耗时仅为之前的六分之一，失误率降低为零，标记操作得到升值。

“这项概念验证展示了可穿戴技术如何使航空航天和国防工业获得新的重大收益，” Schmidt说道，这个项目始于2015年1月，不到一个月后完成首个原型。

为了加快进程，Airbus和Accenture公司采取触发模式工作，两个公司的工程师快速更迭。这项可穿戴技术目前应用在Airbus的A330宽机身喷气式飞机的座舱配置上。Schmidt指出，机身生产厂商的其他终端装配线，还有其他的Airbus分部，例如Airbus防务和空间分部应该快速跟进。

可穿戴智能眼镜目前被用于飞机制造行业，同时造福于其他功能性行业，如质量管理和现场服务，Schmidt解释道，“潜在应用案例包括耗时和易错流程，以及复杂的装配工艺。”

“从商业和技术两个方面来看，智能眼镜是实现行业全面数字化的催化剂”Schmidt继续说道，“可穿戴产品可以是一个改变游戏者，尤其因为它们可以大规模引领行业导向：一直向着全数字化智能机发展。”

图2 Rufus实验室的Rufus Cuff先进可穿戴智能设备有助于提高效率和生产力

IoT和安全

“可穿戴设备是互联网化（IoT）时代主流技术趋势的极致代表, 这种趋势指的是多种产品与各种载有大量信息的设备相连，在更多的网络运行，” Schmidt解释道，“数字化驱动着这种趋势快速全面地成长。航空航天和国防业将与这个大趋势同行。”

可穿戴设备应用的增加面临着挑战，“由于业内使用更多（可穿戴设备），更多数据将被储存、发送，并从中被检索。确保增加的信息量保持安全变得比以往任何时候都更加重要。”Schmidt说。

“数据必须安全，” Schmidt继续说，例如在Airbus飞机制造应用中，技术人员佩戴智能眼镜得到的数据需要足够保密，以避免竞争者通过任何IoT设备或连接的网络盗取。Accenture公司根据这个思路采取了谨慎的分段方法。” Schmidt这样说，一旦应用可行，与末端系统的整合以及用户扩充将成为试产阶段严格的下一步，之后进行大规模生产。

可穿戴设备之上的整体手段很重要，并且考虑连接工人的方方面面。Schmidt说，“为厂商和军方将上下相关信息融合，连接工人通过可穿戴设备、信标和传感器，提供一整套生产管理和操作性能。”

样例包括：

¨        智能眼镜用于操作者完成工序指引。

¨        通过“越肩”指导，使得远程人员与专家相连，通过声音和视频连接，提高问题响应时间并改进首次时间修复过程。

¨        利用数字装配确认安装的首次质量并用数字图像记录完成情况。

¨        使用可穿戴设备跟踪健康和安全体征，例如疲劳和重复作业。

¨        在叉车等设施上放置传感器，用于了解其在生产车间内的位置。

所有这些性能拓展了可穿戴设备在航空航天和国防领域的价值，Schmidt强调，“这些发展并非即将到来，而是已经存在，它将以各种形式与行业同步推动数字化进程。”

图3  军用和商用飞机的飞行员越来越借助可穿戴设备，包括平视显示器和系统——如Elbit系统   

公司的ClearView Heli 和Skylens, 如上下图所示——真实世界和训练场景

连接难题

在国防应用中，可穿戴智能设备是士兵连接系统的整体部分，该系统提供战术优势并提高部队安全。士兵连接系统使地面部队处于设备的大网络之中，为决策者提供更多的数据以及态势感知。

总部设在瑞士Schaffhausen的TE通讯公司正致力于用于联合士兵的系列先进产品，包括轻型电子产品、灵巧型天线以及新型射频通讯技术。

“使用可穿戴计算器支持战术通讯、用于态势感知的“易毁数据”以及“每个士兵一个传感器”，位于宾州Beryn的TE公司高波段分部产品研发经理Earle Olson说，“通过“易毁数据”获得即时情报——及时存取信息并在对抗或威胁发生前从这个信息获益——真正地挽救生命。”

图4 免提式可穿戴设备是现代飞行训练的一大组成部分

图5 Elbit公司的ClearVision视觉增强系统设计用于提高飞行员态势感知和安全系数

可穿戴设备应用增长是“潜在市场和后续产业创新重要性的关键指标，” TE通讯公司的用户部总监James O’Toole说道，“我们力争真正的迭代和协作——更早投入生产——交付最好的天线、智能通讯方案和传感器来支持客户创新。”

为达目标，TE通讯公司官员在加州Menlo Park成立了TE可穿戴设备实验室，专注于可穿戴技术在国防、消费市场、医药以及工业企业中的应用。实验室作为TE工程师团队和它的客户在设计过程中的沟通中心。

TE可穿戴实验室推出的首批产品是可穿戴设备所用的无线动力开发工具，达到了小型化和低能耗要求。它包括一个小型2.5W充电器，有一个集成磁体与可穿戴设备相连，同时集成了一个完整的接收线圈和电子系统。TE公司的工程师们将电子系统和线圈小型化，使得可穿戴设备的设计者可以快速做出产品原型并开发满足设计要求的定制品。

“在一个已经重负荷的士兵身上增加重量，影响了可穿戴设备的使用，如果它们过于沉重的话，”Olson承认，“降低尺寸、重量、功耗及成本（Swap-C）势在必行，而在产品容量、可靠性和性能上必须提升。”

图6 TE电子公司的金属外壳微环型连接器为1EEE 1934 兼容，可以满足最新信号要求

宇宙飞船里的空间

无论是陆地、海上或是空中和太空，航空航天和国防运载器里的空间无疑是珍贵的。但是，失重为宇航员拓展他们的工作和生活环境提供了机会，因为他们不受绑在地面的限制。NASA的工程师和科学家们想要描画宇航员是如何利用失重来拓展他们的飞行器的可用空间。

NASA官员选择了Draper实验室，一个位于麻省剑桥大学的独立、非盈利性质的工程研究和开发组织，研发一种可穿戴设备来跟踪宇航员绕国际太空站（ISS）转时的位置和方位。从这些设备收集到的信息可以对宇航员住所的使用进行三维生成和验证，有助于工程师提升未来太空飞行器的设计，最大化宇航员的工作空间。

“国际太空站的住所容积为13696立方英尺——就是一间近2000平方英尺的房子，”Draper公司的人工智能设计及工程组负责人Jana Schwartz说，“太空中有许多空间，而Draper的技术可以帮助NASA决定在今后设计飞船时如何更好地应用这些空间。”

可穿戴设备的光学传感器决定一个宇航员在太空站相对于其他物体的位置。惯性测量装置（IMUs）和算法也提供了持续的移动和方位信息。Draper工程师将给NASA交付一个可穿戴样机进行测试。

“以三维方式并在任何方位跟踪一个宇航员的行动，是一个与太空中的生活和工作相关的、独一无二的复杂的挑战，” Draper公司负责该项目的首席调查员Kevin Duda解释道，“将这项技术集成到一个小的可穿戴物体中同样有可能在地球上定量这里的生物力学和运动。”

士兵可穿戴系统

美国国防部官员持续对发展的数字化网络中心战场上的士兵用可穿戴智能系统进行调研和投资。

位于麻省Natick的美国陆军纳提克士兵研究、开发和工程中心（NSR-DEC）正与工业界就用于单兵身体网络的可穿戴电子和光电产品进行合作。

工作概念涉及到在每个单兵身上可穿戴电子产品的安全、可靠的传感器网络。各种生理学传感器获取的数据（心率、呼吸率、体温、爆炸波效应）通过战术广播即时传送，在士兵数据恢复单元中记录数据，或当士兵返回营地时自动下载。

图7  Draper实验室开发的小型可穿戴电子模块，帮助保持宇航员在太空的健康

目标是推进数据线移动，提高士兵的机动性，提升传感器系统的有效率，加强系统的可量测性——当整个系统使用COTS技术满足军方要求和环境时。官员们称，难于拦截和探测是无线系统超宽带（UWB）技术的固有特性，而且它不受某些类别的国际化和非国际化信号干扰。

安全通信系统公司是在加州Santa Ana的一家安全技术公司，目前正在研发一个低能耗无线通讯系统，该系统可以在身体局域网连接数个士兵穿戴生理学传感器。

“这项技术很有潜力，国防工业之外的其他产业亦可获益，”安全通讯系统公司总裁Robert Korb解释道，“危险现场救护员可以更好地无线监测他们行动时和行动后的生命体征；不管在高校或其他专业赛事，如果对极限运动中的头部创伤给予更多关注，那么高冲击接触运动中的运动员就可以被更近距离地监护，避免脑震荡和其他损伤。”

COTS 控制系统

美国空军战场飞行员特殊项目办公室（SPO）官员试图给所有的空军战场飞行员（包括战术空中控制组（TACP），作战控制队（CCT）救援（PJ）以及作战天气预报员）提供一个可穿戴智能元件用作操作控制系统（OCS），他们发现他们的想法可以在黑钻石高科技公司（BDATech）实现。

空军官员们从黑钻石高科技公司选择了“COTS APEx 掠食者”系统，给该公司下发了一个5年期4810万美元的合同，起始订单为22套“APEx 掠食者系统”，用于操作验证。

“黑钻石高科技公司将最具技术含量的先进战术智能和能源管理系统用到全世界最致命的武力倍增器中，”该公司的一位发言人说。

可穿戴式“APEx捕食者系统”（APS）模块包括了一个灵敏端口扩展（APEx）控制器，用于电源和数据分发；一台COTS平板电脑；并为徒步作战利用战术携板背心进行布线优化。稳固的APS保障指令、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（C4ISR）等战术通讯的实施；数字辅助近距离空中支援（DACAS）操作；小型无人机系统（sUAS）控制；以及更多用于徒步操作。

APEx连接多个外围电缆，一个系统电源电缆和一个战术计算机或终端用户机（EUD）。APEx控制器给连接的设备输送电源并使战术数据无线电通信、视频下行传输，瞄准及许多其他设施与电脑相连。

APEx控制器在四个密封的、圆形军用级通用外围端口使用了5吉比特/秒高速USB3.0，用户可以连接多个战术外挂设备。

图8 Elbit系统公司的Skylens系统拥有一个头盔式显示器和COTS技术

正常运行时间提高

新的可穿戴技术可远程将各国的飞机技师与飞行专家相连，减少了国防、商业和支线飞机的下行时间和维修成本，一个暂停服务的飞机花费可观，甚至影响寿命，视飞行任务而定。

“在航空航天工业，与飞机下行时间相连的费用是一个关键问题，”澳洲昆士兰省的TAE公司管理部经理Andrew Sanderson继续说道，“如果一架飞机未在使用，它可以每小时花费公司12000美元。这意味着任何简化维修，并有助于缩减维修时长的技术都是有价值的投资。”

澳大利亚航空航天公司TAE将批量生产“守护者门特远程（GMR）”可穿戴技术系统，该系统来自强大的澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO），可供全球航天航空工业使用。GMR免提技术使用了耳机和眼镜来连接专家和站点操作员以获得实时帮助，无需专业工程师或技师进入机内即可进行飞机和机械维修。

这项技术可以为飞机运营商减少维修费用，尤其是那些位置偏远的地方，Sanderson补充道，“使用GMR系统，就像有一个专家和你共处一室，即使他们是在另一个州或其他国家。使飞机恢复正常运行无需等待更多时日。”

GMR系统包括一个救助站和一个操作站，两者均使用一个可穿戴电脑，有一个头盔照相机和一个近眼显示器。显示器提供一个共享视觉空间，使不在现场的专家可以使用一对虚拟手进行演示。

波音公司和澳大利亚航空公司专家指导了系统实验。TAE公司对于此项技术的商业化将使该系统广泛用于全世界的航空航天公司。