多種智能技術(shù)在防寒服裝功能研發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)展

馬 亮，李 俊,2

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

人體在寒冷環(huán)境中工作或生活會(huì)從生理層面和心理層面都感到不舒適[1]，甚至?xí)斐蓹C(jī)體損傷和死亡[2]。穿著適體輕量的防寒服裝是人體抵御冷環(huán)境威脅，維持肌體熱平衡的重要手段。傳統(tǒng)防寒服裝主要通過(guò)隔熱層中新型保暖隔熱材料的應(yīng)用[3-4]、服裝通風(fēng)開(kāi)口部位的結(jié)構(gòu)改良[5]、著裝方式的優(yōu)化[6]等被動(dòng)隔熱方式來(lái)提高服裝的保暖性能[7]。但通過(guò)以上方式的改進(jìn)，依然無(wú)法擴(kuò)展防寒服對(duì)超低溫環(huán)境的適應(yīng)能力。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)單純采用被動(dòng)隔熱的方式會(huì)造成服裝質(zhì)量與體積過(guò)大，使穿著者活動(dòng)范圍受限[8]。多種主動(dòng)加熱系統(tǒng)(電加熱系統(tǒng)[9]、化學(xué)加熱系統(tǒng)[10]、流體加熱系統(tǒng)[11]、太陽(yáng)能系統(tǒng)[12]、相變加熱系統(tǒng)[13])在防寒服中的應(yīng)用不僅可減輕整體質(zhì)量也可以擴(kuò)展其在低溫環(huán)境中的適用范圍。鑒于人體不同部位的冷防護(hù)需求不同[14]，并且人體對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性存在年齡差異[15]與性別差異[16]，即對(duì)檔位調(diào)節(jié)的主動(dòng)加熱系統(tǒng)在功能上提出了進(jìn)一步完善的要求。此外，為確保人體在冷環(huán)境中免受危害，該類服裝還應(yīng)該具備生理信息監(jiān)測(cè)、環(huán)境快速響應(yīng)及人體熱生理水平預(yù)測(cè)等功能。

為了實(shí)現(xiàn)功能的突破，在硬件層面智能型防寒服裝應(yīng)以人體傳感器網(wǎng)絡(luò)(body area network,BAN)[17-18]和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)[19]為架構(gòu)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)冷環(huán)境條件下人體生理信號(hào)、防寒服加熱溫度及環(huán)境動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集與傳輸。但目前市場(chǎng)常見(jiàn)的智能加熱服裝往往只在加熱元器件內(nèi)部設(shè)置單個(gè)熱電偶用以監(jiān)測(cè)加熱單元的溫度，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常值時(shí)，系統(tǒng)停止工作，對(duì)于其余功能則鮮有集成。此外，加熱單元的有效使用受到材料自身特性及制作工藝的制約，一般彈性較小且不易拉伸。在軟件層面，需在多檔位溫度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，依托神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20-21]、人體熱生理模型等新算法對(duì)防寒服內(nèi)部溫度控制模式進(jìn)行優(yōu)化。目前，智能算法模型主要以加載到處理器中的個(gè)體歷史調(diào)溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)個(gè)體穿著習(xí)慣進(jìn)行智能判斷，以實(shí)現(xiàn)服裝內(nèi)加熱單元的溫度調(diào)節(jié)。

本文在回顧防寒服裝發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，針對(duì)適用于防寒服裝的智能技術(shù)，從動(dòng)態(tài)信號(hào)采集傳輸、加熱系統(tǒng)的研發(fā)水平、控制算法的優(yōu)化升級(jí)及人體熱生理模型的合理應(yīng)用等4個(gè)角度進(jìn)行整理與回顧，分別探討了各技術(shù)手段在防寒服裝中的適用范圍、技術(shù)瓶頸及其延展空間。指出研究并設(shè)計(jì)功能集成度高且滿足不同群體熱生理需求的非均勻智能溫控防寒服十分必要，并提出構(gòu)建面向智能防寒服裝的多維度測(cè)評(píng)方法及標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)想[20]。文章最后指出了現(xiàn)有研究中存在的不足并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1 防寒服裝的發(fā)展進(jìn)程

防寒服裝的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。首先是被動(dòng)隔熱階段，通過(guò)對(duì)防寒服內(nèi)不同層位隔熱材料優(yōu)化、服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝著方式的改良等方面展開(kāi)。當(dāng)環(huán)境溫度不斷降低，一味提高被動(dòng)系統(tǒng)的隔熱性能，不僅會(huì)造成整個(gè)服裝系統(tǒng)的質(zhì)量增加，也會(huì)使穿著者體感較差，制約了該類研究的發(fā)展及應(yīng)用。近年來(lái)隨著隔熱材料的優(yōu)化，出現(xiàn)了聚酰亞胺氣凝膠膜、氣凝膠發(fā)泡材料、相變微膠囊等新型復(fù)合材料[22]，防寒服裝逐漸朝著輕薄的方向發(fā)展。

其次是主動(dòng)加熱階段，研究主要依托加熱元件和控制電路的相互作用，為防寒服提供額外的熱量。這一階段防寒服中出現(xiàn)了多種類型的主動(dòng)加熱模式，主要包括電加熱模式、化學(xué)加熱模式、流體加熱模式、太陽(yáng)能加熱模式和相變加熱模式等。通過(guò)將主動(dòng)加熱系統(tǒng)與被動(dòng)隔熱系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，提高了整體防寒服裝的防寒能力。針對(duì)主動(dòng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)，使得主動(dòng)加熱系統(tǒng)可以設(shè)置多個(gè)加熱檔位，從而滿足人體在不同環(huán)境下的防寒需求，但是人工控制系統(tǒng)檔位設(shè)計(jì)模式單一，多為三檔調(diào)溫系統(tǒng)。此外，發(fā)熱元件和電池性能的升級(jí)也是牽制研究突破的難點(diǎn)。

最后是智能控制研究階段。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，防寒服裝的研究從一般的人工控制階段進(jìn)入了智能控制階段，但在這一時(shí)期，控制系統(tǒng)的硬件集成度低，功能單一，依托多維人體及環(huán)境信號(hào)的“監(jiān)測(cè)-反饋”系統(tǒng)研究相對(duì)較少。目前集中于對(duì)軟件算法的改進(jìn)，主要依托前沿計(jì)算機(jī)技術(shù)，以服裝作為載體，使防寒服裝具有自主學(xué)習(xí)和判斷的能力，但基于數(shù)據(jù)分類判別的控制模式需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)處理后才能實(shí)現(xiàn)個(gè)體對(duì)加熱溫度的個(gè)性化自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。此外，需要提升加熱單元對(duì)溫控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令的響應(yīng)時(shí)間。

在接下來(lái)的研究中，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)硬件系統(tǒng)的集成水平，增加人體與環(huán)境信號(hào)的采集與傳輸功能，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下人體的健康監(jiān)測(cè)。其次，為確保溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，要在總結(jié)加熱單元及現(xiàn)有控制模式的基礎(chǔ)上，融合人體熱生理模型的理論研究成果，構(gòu)建基于冷環(huán)境條件下的多維度人體生理模型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)算法模型的優(yōu)化。人體熱生理模型在溫度控制算法中的有效應(yīng)用有助于進(jìn)一步滿足人體各部位的防寒需求，優(yōu)化加熱系統(tǒng)的合理性，同時(shí)也可以對(duì)不同冷環(huán)境下人體的熱應(yīng)激情況進(jìn)行預(yù)估。

2 動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集與傳輸

由于人體在受到寒冷侵襲時(shí)肌體易受到損傷甚至威脅生命，因此防寒服裝應(yīng)具備動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?dòng)態(tài)信號(hào)采集包括人體生理信號(hào)與環(huán)境信號(hào)兩部分，所采集的數(shù)據(jù)可以為防寒服智能預(yù)警設(shè)計(jì)提供決策支撐。信號(hào)傳輸包括指向穿戴型微處理器的近距離通信與指向云端的遠(yuǎn)距離通信兩部分，選擇合適的傳輸方式是保證信號(hào)傳遞實(shí)時(shí)性與有效性的基礎(chǔ)。

圖1 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸Fig.1 Dynamic signal acquisition and data transmission

2.1 人體與環(huán)境動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集

智能型防寒服裝具有信號(hào)采集功能的目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體在寒冷環(huán)境中的各項(xiàng)生理指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)，以保證人體免受冷環(huán)境威脅。

目前人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)主要集中在健康監(jiān)護(hù)服裝[23-24]，尚未在防寒服裝中得到較好的應(yīng)用，主要有以下2個(gè)原因：首先，生理信號(hào)的采集效度存在挑戰(zhàn)，防寒服裝屬于外穿防護(hù)服裝，服裝最內(nèi)層材料不與人體皮膚接觸，生理信號(hào)的采集需要依托近距離無(wú)線通信技術(shù)，使電磁波透過(guò)內(nèi)層服裝的阻隔，通過(guò)算法的轉(zhuǎn)化最終實(shí)現(xiàn)對(duì)部分生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)。該技術(shù)路徑的實(shí)現(xiàn)難度大，信號(hào)可監(jiān)測(cè)范圍有限且監(jiān)測(cè)精度較低，因此傳統(tǒng)緊身型健康監(jiān)測(cè)服裝的設(shè)計(jì)模式無(wú)法在防寒服中得到有效的應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)接口電路，使傳統(tǒng)緊身型健康監(jiān)測(cè)服裝內(nèi)置的監(jiān)測(cè)電路與防寒服外層的控制單元有效連接，可以在一定程度上解決上述問(wèn)題，但同時(shí)會(huì)造成服裝穿脫不便，影響穿著體驗(yàn)。其次，傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模小且彼此之間的關(guān)聯(lián)度較差。早期的監(jiān)測(cè)服裝通過(guò)布局有限的傳感器對(duì)人體生理信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各傳感器之間無(wú)直接聯(lián)系，數(shù)據(jù)無(wú)法融合，基于此研發(fā)的智能健康監(jiān)護(hù)服裝常會(huì)出現(xiàn)不必要的預(yù)警提示。因此，數(shù)據(jù)采集規(guī)模需要由單一信號(hào)向多源信號(hào)發(fā)展。

隨著數(shù)據(jù)采集規(guī)模的擴(kuò)大，出現(xiàn)了基于人體傳感器網(wǎng)絡(luò)(BAN)的信號(hào)采集系統(tǒng)[25]。該網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)均可對(duì)一個(gè)或多個(gè)生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中BAN的合理架構(gòu)[26]是避免信道交錯(cuò)與噪聲干擾的研究難點(diǎn)。BAN中傳感器的數(shù)量較少，制約了數(shù)據(jù)的采集規(guī)模，其中剛性傳感器在BAN中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟[27]，而將柔性傳感器[28-29]集成到人體傳感器網(wǎng)絡(luò)中仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)面向柔性傳感器的BAN可以使智能型防寒服裝的穿著舒適性得到顯著提高[30]。

與人體生理信號(hào)采集類似，環(huán)境信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是智能防寒服裝進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的另一個(gè)依據(jù)，通過(guò)在防寒服最外層布局無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[19]可以對(duì)外界環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、處理和通信?，F(xiàn)階段面向人體和面向服裝的傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)尚未建立互聯(lián)通信協(xié)議，彼此關(guān)系不緊密，在防寒服裝的研究中各自獨(dú)立發(fā)展。

此外，當(dāng)防寒服裝內(nèi)部配置有生理和環(huán)境信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，雖擴(kuò)展了防寒服本身的功能[37]但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致服裝整體質(zhì)量較大的問(wèn)題。傳感器與控制單元的有效布局會(huì)對(duì)其力學(xué)舒適性研究帶來(lái)新的挑戰(zhàn)[38-40]，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：首先，由于防寒服為外穿服裝，為了提高生理信號(hào)測(cè)量精度，需要在傳感器信號(hào)檢測(cè)精度和穿著舒適性之間進(jìn)行平衡，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法，這已成為智能服裝設(shè)計(jì)和商業(yè)化開(kāi)發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一[31]。第二，由于智能型防寒服裝自重較大等原因會(huì)對(duì)穿著者的身體造成一定的力學(xué)壓迫，進(jìn)而會(huì)引發(fā)由局部血流阻斷，誘發(fā)肌肉疲勞和酸痛等疾病，因此對(duì)壓力舒適性提出了更高的要求[32]。提升智能型防寒服裝的壓力舒適性可以更好地實(shí)現(xiàn)穿戴者與防寒服間的交互關(guān)系。良好的力學(xué)性能可以防止核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理單元產(chǎn)生不必要的滑移。第三，智能防寒服裝的供電單元主要采用外接電池供電，防寒服裝的上衣、褲子及鞋帽需要有序地與電源進(jìn)行連接，整個(gè)接線系統(tǒng)需要與防寒服裝的結(jié)構(gòu)匹配，否則復(fù)雜的布線會(huì)造成穿者活動(dòng)靈活度降低，增加不必要的負(fù)荷，影響服用感受。

2.2 信號(hào)的傳輸

目前智能型防寒服裝的信號(hào)傳輸主要包含3部分，首先是防寒服內(nèi)置的多個(gè)傳感器將監(jiān)測(cè)信號(hào)向微處理器傳輸，第2部分是微處理器將信號(hào)向近端基站的傳輸，第3部分是指近端基站將數(shù)據(jù)上傳云端且向數(shù)據(jù)控制中心發(fā)送的過(guò)程。前2個(gè)部分屬于近距離通信，第3部分屬于遠(yuǎn)距離通信。

當(dāng)傳感器將監(jiān)測(cè)信號(hào)向微處理器傳輸時(shí)，服裝內(nèi)部核心處理單元的部署方式逐漸由集成式部署轉(zhuǎn)向分布式部署，并結(jié)合人機(jī)工學(xué)原理分布在人體適合穿戴的部位。當(dāng)采用有線通信傳輸方式時(shí)多終端連線的布線模式及傳輸線彈性低等問(wèn)題會(huì)降低服裝的穿著舒適性。當(dāng)采用無(wú)線通信傳輸方式時(shí)，信道間的相互干擾會(huì)加劇噪聲的傳播。因此數(shù)據(jù)有效傳輸是智能防寒服研究的又一個(gè)難點(diǎn)。

在處理器容量有限的情況下，隨著傳輸數(shù)據(jù)維度和規(guī)模的擴(kuò)展，多維數(shù)據(jù)在傳輸前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮并在接收后進(jìn)行解壓縮，但2次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換會(huì)造成傳輸信號(hào)信度下降，使后期算法的研究失去準(zhǔn)確性。

相較于第1部分，第2部分與第3部分的傳輸主要依賴于無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展為智能仿寒服裝的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了更多的可能。近年來(lái)出現(xiàn)了基于藍(lán)牙技術(shù)傳輸?shù)腜ID智能加熱服[33]，該技術(shù)依托脈寬調(diào)制(PWM)模擬控制方法對(duì)多個(gè)部位如背部、腹部和手腕進(jìn)行加熱，但在一些特殊環(huán)境條件下如環(huán)境溫度過(guò)低或水域工作區(qū)域(封閉環(huán)境)，無(wú)線通信技術(shù)的信號(hào)易出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。此外，無(wú)線充電[34]技術(shù)的發(fā)展，使得防寒服有望擺脫電池的困擾，減輕整體的重量。

在信號(hào)傳輸過(guò)程中，在人體層面還需要關(guān)注天線發(fā)射信號(hào)時(shí)，電磁波的主瓣發(fā)射方向?qū)θ梭w所造成的輻射危害。向外環(huán)境發(fā)射傳輸信號(hào)時(shí)候需要關(guān)注系統(tǒng)本身的電磁兼容問(wèn)題。

硬件功能的大量集成可能會(huì)引起電磁輻射的威脅，需要明晰防寒服裝內(nèi)置電子單元的電磁輻射對(duì)人體的輻射情況。有學(xué)者采用計(jì)算機(jī)模擬的方法建立了一系列可以表征人體各組織器官電磁特性的人體電磁模型。模型的發(fā)展經(jīng)歷了簡(jiǎn)化型多層圓柱體著裝模型[35]，人體主要器官局部防護(hù)模型[52]，和基于人體解剖學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整體精確生物電磁模型[36]。模型的突破和發(fā)展為了解人體各部位所受電磁輻射的強(qiáng)度提供了新的思路。

電磁兼容性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證需要符合 GJB 151B—2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》和GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》的規(guī)定。目前尚未有專門(mén)針對(duì)智能型防寒服裝電磁兼容特性的研究，在之后的研究中隨著服裝智能化程度的不斷增加，其電磁兼容特性需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 加熱單元的發(fā)展

加熱單元的有效應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)防寒服裝智能化設(shè)計(jì)的重要前提。傳統(tǒng)的防寒服裝采用多層設(shè)計(jì)，其核心目的是通過(guò)增加服裝層數(shù)來(lái)提高整體服裝的熱阻值，實(shí)現(xiàn)保暖防寒的目的。主動(dòng)加熱模式的有效應(yīng)用可以降低服裝的重量和體積。與通過(guò)提升材料性能降低服裝重量的方式不同，主動(dòng)加熱系統(tǒng)可以更好的與智能控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人體各部位差異化的保暖需求。從加熱原理分析可以將現(xiàn)有加熱單元分為被動(dòng)型加熱單元與主動(dòng)型加熱單元。

被動(dòng)式加熱單元無(wú)需人為控制，即可實(shí)現(xiàn)溫度的變化，主要可以分為2類：一類是以能量轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，將環(huán)境中的能量有效吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，如通過(guò)太陽(yáng)能板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。另一類是以材料本身的特質(zhì)為變溫基礎(chǔ)，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，對(duì)加熱溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，如相變材料即是通過(guò)材料本身物態(tài)轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)吸熱放熱。被動(dòng)式加熱元件組要依托外界環(huán)境功能，無(wú)需電子系統(tǒng)的干預(yù)，因此它可以降低能源成本。由于受到環(huán)境條件的制約，該類加熱模式在防寒服裝的中的應(yīng)用較為局限。

多種主動(dòng)加熱元件是以控制電路為核心，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)的方式對(duì)加熱單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。加熱單元主要以超細(xì)電阻絲、鍍金屬材料、碳纖維、石墨烯、碳納米管涂層或高聚物涂層等電熱材料將電能轉(zhuǎn)化為熱能，最后通過(guò)與電路系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)溫度的有效調(diào)節(jié)。

為了保證加熱系統(tǒng)在服裝上的有效應(yīng)用，需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)問(wèn)題：第一，加熱單元發(fā)熱均勻性及熱輻射范圍。第二，加熱單元往往不具備彈性，無(wú)法在關(guān)節(jié)等活動(dòng)較大的肢體部位應(yīng)用。進(jìn)一步提升加熱元件及導(dǎo)線或織帶的耐彎折、可伸縮、柔軟、耐水洗及安全等特性是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行及加熱單元有效工作的關(guān)鍵。第三，提升電池柔性化水平與耐受程度，增強(qiáng)其對(duì)冷環(huán)境條件適用性。

目前對(duì)于加熱單元性能的評(píng)價(jià)研究主要集中在織物層面，且主要關(guān)注加熱單元本身的物理性能，例如加熱片的溫升溫況、峰值溫度、熱輻射范圍等。除了采用溫度傳感器或紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)試外也有研究借助ANSYS[37-38]、ABAQUS[39]商業(yè)軟件進(jìn)行織物層面的數(shù)值模擬，但研究結(jié)果很難表征加熱單元縫制在服裝上后，人體穿著狀態(tài)下該單元的熱輻射情況。在接下來(lái)的研究中應(yīng)從服裝層面對(duì)于包含人體生理模型和控制電子器件散熱模型的智能加熱服裝進(jìn)行電熱耦合性能的數(shù)值模擬分析。

4 溫度控制算法

智能型防寒服裝的溫度控制算法在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步考慮人體在冷環(huán)境下的熱生理特征。研究框架如圖2所示。該研究成果可以為智能型防寒服裝的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。人體熱生理模型是對(duì)人體在特定生存環(huán)境條件下生理反應(yīng)的客觀描述，主要包括人體體溫調(diào)節(jié)模型又稱人體熱調(diào)節(jié)模型、人體各區(qū)域熱敏感分布模型、人體熱舒適模型等；不同人體熱生理反應(yīng)模型的研究可以為防寒服裝的智能化研發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

圖2 控制算法與人體生理模型的應(yīng)用Fig.2 Application of control algorithm and human physiological model

目前的研究主要集中于對(duì)防寒服內(nèi)部溫度控制模式[40]的優(yōu)化及新算法技術(shù)的引入，如利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法記錄穿著者的調(diào)溫習(xí)慣，深入了解穿著者自身的防寒訴求，如美國(guó)波士頓服裝公司研發(fā)的Mercury Jacket與Omius研發(fā)的“會(huì)呼吸”的夾克均為基于該技術(shù)所開(kāi)發(fā)的智能防寒產(chǎn)品。此外，將氣候數(shù)據(jù)與智能型防寒服裝的控制模式進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究也是一種新的研究方向。目前出現(xiàn)的電子終端應(yīng)用程序如ClimApp已經(jīng)將氣候數(shù)據(jù)與防寒服裝的穿著搭配進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)計(jì)算給出相應(yīng)氣候條件下的穿衣指南。

依靠人體傳感器網(wǎng)絡(luò)采集和記錄人體日常的脈搏、呼吸、體溫等生理數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)實(shí)。然而，配置了人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能型防寒服裝在一段時(shí)間過(guò)后易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)，不利于普通用戶觀察、分析、提取有價(jià)值的生理信息，影響防寒服相應(yīng)功能的驅(qū)動(dòng)，因此需要對(duì)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。此外由于人體形態(tài)與組織結(jié)構(gòu)的差異對(duì)個(gè)體防寒能力有影響，因此也可進(jìn)一步對(duì)人體體型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，為生理模型的應(yīng)用提供幫助。綜上可以發(fā)現(xiàn)面向智能防寒服裝的數(shù)據(jù)融合主要包括生理數(shù)據(jù)融合[41]與人體體型數(shù)據(jù)融合[42]兩大類。

上述2種類型的數(shù)據(jù)融合主要涉及各子系統(tǒng)之間不同來(lái)源的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成[43-44]、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、綜合聚類[42]等研究方法。將多種結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的融合可以極大地提高寒冷環(huán)境下人體熱舒適需求的預(yù)測(cè)精度。

此外，引入溫度控制算法之后，防寒服內(nèi)部需要配置相應(yīng)的主動(dòng)加熱材料以實(shí)現(xiàn)算法的相應(yīng)功能。因此其測(cè)評(píng)方法與傳統(tǒng)防寒服裝存在2方面差別：首先智能防寒服裝內(nèi)置加熱系統(tǒng)，服裝層內(nèi)部微環(huán)境溫度的升高可能引起局部出汗量的加大，因此不同加熱功率下防寒服熱濕舒適性研究需要區(qū)別進(jìn)行；其次是服裝內(nèi)部的控制單元與控制線路需要在加熱的工作環(huán)境下工作，電子元件本身的升溫情況也會(huì)對(duì)人體的熱濕舒適性帶來(lái)影響。傳統(tǒng)研究方法包括人主觀實(shí)驗(yàn)[45]、暖體假人測(cè)評(píng)[46-47]和CFD數(shù)值模擬[48]3種。

從人體安全性的層面來(lái)講，當(dāng)系統(tǒng)失調(diào)時(shí)會(huì)對(duì)人體造成過(guò)保護(hù)不當(dāng)?shù)那闆r。算法的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格確保防寒服內(nèi)部溫控系統(tǒng)的調(diào)溫范圍。當(dāng)防護(hù)過(guò)度，服裝內(nèi)部溫度超過(guò)人體所接受的最高閾值會(huì)造成人體低溫燙傷；當(dāng)防護(hù)過(guò)欠缺，服裝內(nèi)部溫度過(guò)低會(huì)帶來(lái)凍傷風(fēng)險(xiǎn)。

從控制系統(tǒng)本身所面臨的服裝內(nèi)環(huán)境溫度而言，需要保證其系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于防寒服裝的智能控制系統(tǒng)與其他智能可穿戴系統(tǒng)所面臨的工作環(huán)境不同，當(dāng)智能防寒服正常工作時(shí)，服裝內(nèi)部受到加熱系統(tǒng)的熱輻射作用，其溫度往往高于38 ℃，在這樣的溫度環(huán)境中，電子設(shè)備的使用會(huì)面臨系統(tǒng)崩潰的情況，與其類似，當(dāng)智能防寒服裝直接暴露在寒冷環(huán)境中，同樣會(huì)影響系統(tǒng)的工作工作狀態(tài)，因此，在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)電子元器件的安全特性進(jìn)行監(jiān)控。

5 人體熱生理模型應(yīng)用

5.1 體溫調(diào)節(jié)模型的應(yīng)用

在實(shí)際生活中，個(gè)體在選擇防寒服裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)穿著過(guò)多或穿著較少的現(xiàn)象[49]，這主要是因?yàn)槿梭w對(duì)自身在冷環(huán)境中的體溫調(diào)節(jié)能力錯(cuò)誤預(yù)估而造成的[50]。成年人可以通過(guò)增減服裝數(shù)量的方法進(jìn)行個(gè)體保暖調(diào)節(jié)，但嬰幼兒、殘疾人等特殊群體則可能由于穿著過(guò)多而引發(fā)的體溫過(guò)高[51]。

人體體溫調(diào)節(jié)模型可以對(duì)不同代謝狀態(tài)下人體的體表溫度分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)瞬態(tài)計(jì)算，預(yù)估人體在冷環(huán)境條件下的熱生理水平與體表溫度分布情況[52]，通過(guò)體溫調(diào)節(jié)模型的計(jì)算結(jié)果可以了解人體對(duì)防寒服裝在不同環(huán)境溫度條件下的熱阻需求。將參數(shù)化的體溫調(diào)節(jié)模型通過(guò)接口電路讀入智能型防寒服裝的控制單元，可以實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)用。利用自定義程序化的設(shè)計(jì)模式可以根據(jù)外界環(huán)境溫度對(duì)服裝的加熱溫度有效預(yù)估。

但目前體溫調(diào)節(jié)模型在智能型防寒服裝中的應(yīng)用尚存在以下4點(diǎn)不足。首先，各年齡段體溫調(diào)節(jié)模型開(kāi)發(fā)程度不均衡，參數(shù)化水平較低。目前主要是針對(duì)正常健康狀態(tài)下成人人體體溫調(diào)節(jié)模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)。相比之下，針對(duì)冷環(huán)境下的高危人群如嬰兒[53]、青少年[54]、老年人[55-56]以及處在非健康狀態(tài)下的群體所開(kāi)發(fā)的人體體溫調(diào)節(jié)模型相對(duì)較少。第二，人體體溫調(diào)節(jié)模型的幾何形態(tài)還原度有待提高[57-58]，且附帶加熱單元的多層防寒服裝模型缺少研究。組織的空間結(jié)構(gòu)信息對(duì)相應(yīng)的生理量分布有較大的影響[59]，建立準(zhǔn)確的三維人體模型有助于對(duì)相應(yīng)生理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值分析。近幾年所建立的高維度體溫調(diào)節(jié)模型在幾何模型創(chuàng)建階段有意向人體真實(shí)形態(tài)逼近[60]。第三，寒冷環(huán)境中體溫調(diào)節(jié)模型的適用性受限。特別是當(dāng)人體外出或進(jìn)入室內(nèi)時(shí)會(huì)面臨溫度突變的環(huán)境條件，建立可以適用于溫度突變環(huán)境，并且對(duì)于皮膚溫度的不均勻分布特性予以充分考慮的體溫調(diào)節(jié)模型是極其困難的。第四，冷環(huán)境下針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱生理研究較少[14]。

在未來(lái)的研究中，人體體溫調(diào)節(jié)的研究結(jié)論不僅可以為智能型防寒調(diào)節(jié)服裝的相關(guān)功能設(shè)計(jì)提供理論參考。面向不同群體的參數(shù)化體溫調(diào)節(jié)模型的開(kāi)發(fā)使智能型防寒服裝的個(gè)性化定制成為可能。最后，計(jì)算結(jié)果的可視化處理可以應(yīng)用于交互平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，用戶可以直觀地看出所穿防寒服對(duì)人體各部位的保暖效果。

5.2 人體熱敏感模型的應(yīng)用

生理學(xué)研究顯示人體各部位對(duì)冷環(huán)境的敏感程度不同。在防寒服裝的設(shè)計(jì)中，人體各部位的保暖需求呈現(xiàn)差異性變化。通過(guò)高精度人體熱敏感圖譜的繪制可以直觀地看到人體各部位的熱敏感程度[61]，基于此可以針對(duì)不同部位進(jìn)行非均勻分布的防寒設(shè)計(jì)。上述方法不僅可以更好地滿足人體各部位的保暖需求，同時(shí)可以節(jié)省加熱單元與控制系統(tǒng)的電能消耗并且延長(zhǎng)服裝的有效保暖工作時(shí)間。

人體的熱敏感模型研究是指在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)通過(guò)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)人體不同部位的對(duì)冷熱敏感程度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)將測(cè)量結(jié)果制作成圖譜模型，可以直觀地反應(yīng)出人體各部位的冷熱敏感程度[61-62]。皮膚的冷熱敏感性決定了在不同溫度下的冷熱感覺(jué)強(qiáng)度，其中性別、毛發(fā)覆蓋率、年齡等都會(huì)對(duì)人體的熱敏感性能產(chǎn)生影響[63]。

目前熱敏感模型在智能防寒服裝中的應(yīng)用尚存在以下4點(diǎn)不足。第一，熱敏感模型的適用性狹窄，目前國(guó)內(nèi)外研究中所選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象集中在20～30歲的在校人群，從技術(shù)路線探索的角度來(lái)說(shuō)，這樣的研究為學(xué)術(shù)界提供了一種研究思路，但卻存在推廣難題。20～30歲的在校人群身體條件較好，而對(duì)于受到寒冷威脅較大的人群如嬰兒、青少年、老年人和多種慢性病患者的相關(guān)機(jī)制研究還不夠深入。第二，模型的應(yīng)用受到嚴(yán)重的地域性制約，人體對(duì)寒冷程度的敏感性存在耐受現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間處在冷環(huán)境中的人群其對(duì)冷環(huán)境的敏感程度要低于初次接觸此類環(huán)境的人群。第三，人體冷熱敏感性強(qiáng)弱存在人體各部位區(qū)域差異，特別是關(guān)于腹部外側(cè)和中心區(qū)域之間的差異仍然沒(méi)有得到合理的解釋。第四，雖然部分結(jié)果表明了體毛對(duì)人體各部位的熱敏感強(qiáng)度大小有潛在作用，但系統(tǒng)地研究體毛對(duì)冷熱敏感性的直接影響卻相對(duì)較少。

根據(jù)熱敏感模型的研究結(jié)果，在未來(lái)的研究中，不僅可以調(diào)整防寒服裝的通風(fēng)口位置和數(shù)量，為通風(fēng)口的開(kāi)啟位置設(shè)計(jì)與數(shù)量設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，還可以為智能型防寒服裝預(yù)冷(預(yù)熱)算法提供算法設(shè)計(jì)依據(jù)。當(dāng)人體從高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境或者人體由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為靜止?fàn)顟B(tài)，服裝可以根據(jù)人體不同區(qū)段的熱敏感程度提前進(jìn)行開(kāi)口通風(fēng)與智能加熱，從而使人體可以一直保持在熱中性的服裝微環(huán)境中，減少驟冷驟熱環(huán)境轉(zhuǎn)換中的多種傷害。

6 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前智能型防寒服裝的研究尚處于起步階段。智能技術(shù)的應(yīng)用為防寒服裝的智能化發(fā)展提供了更多的可能，使其更加符合人體的熱生理需求，并且擴(kuò)大了其對(duì)極端寒冷天氣的適應(yīng)能力，在接下來(lái)的研究中可以在以下5個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1)強(qiáng)化控制元器件的硬件集成度。基于人體傳感器網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)對(duì)人體生理信號(hào)及環(huán)境信號(hào)的監(jiān)測(cè)功能；優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。確保低溫環(huán)境條件下，職業(yè)作業(yè)人員及身體狀況欠佳人群在生命體征出現(xiàn)異常時(shí)可以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并且得到有效救助。

2)智能型防寒服裝應(yīng)該從多個(gè)尺度滿足人體生理反應(yīng)的差異，充分考慮人體熱生理特征。在智能控制層，可將多尺度人體生理模型融入預(yù)測(cè)算法的研究，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的決策更加符合實(shí)際環(huán)境中人體的防寒需求，為人體各部位非均勻加熱系統(tǒng)的研究提供理論支持。

3)目前智能型防寒服裝所采用的電子元器件通常體積與硬度較大，并且布線復(fù)雜。隨著服裝系統(tǒng)中控制模塊性能的提升，造成整個(gè)系統(tǒng)在服裝中的合理性布局難度增加。將柔性可編織電子器件以分布式的架構(gòu)方法在人體傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行合理布局，是實(shí)現(xiàn)微型電子元器件在防寒服中有效應(yīng)用的途徑。

4)目前針對(duì)智能型防寒服裝所構(gòu)建的完整測(cè)評(píng)體系存在研究空缺。從宏觀角度來(lái)看，智能服裝是以服裝為載體進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，需要從電氣性能、熱濕性能及壓力舒適性等多個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。目前研究中著重關(guān)注整個(gè)智能防寒服裝的加熱性能及人體所面臨的低溫燙傷危害，忽略了在防寒服裝內(nèi)部高溫環(huán)境下，系統(tǒng)自身穩(wěn)定性與安全特性。

5)構(gòu)建相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)智能型防寒服裝標(biāo)準(zhǔn)查閱，發(fā)現(xiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個(gè)方面：針對(duì)防寒服裝本身的標(biāo)準(zhǔn)，包括服裝的研發(fā)與測(cè)試；針對(duì)內(nèi)部加熱系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，且目前只有針對(duì)電加熱系統(tǒng)的行業(yè)規(guī)定；針對(duì)電子器件電氣性能規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)現(xiàn)目前尚未出臺(tái)針對(duì)智能型防寒服裝的研發(fā)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)亟待建立和發(fā)布。

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