（测试计量技术及仪器专业论文）基于可穿戴计算的企业现场作业辅助系统及关键技术研究.pdf

摘要 摘要 可穿戴计算机的思想早在上世纪6 0 年代就已出现，而形态化的可穿戴计算机 则问世于8 0 年代，其突破了传统桌面计算的束缚，为人们勾画了种全新的，追 求“以人为本，人机合一一日标的计算方式。 进入9 0 年代中期，在以美国国防高级研究计划局( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t s a g e n c y ，d a r p a ) 为首的一批机构带动下，可穿戴计算技术得到了军方、 工业界、大学等多方面研究力量的关注和重视。国际上主要的发达国家都有相关 的著名大学和研究机构成立了专门的研究中心或实验室，专注于可穿戴计算技术 的研究，其在工业、军事等重要领域的研究成果不断见诸报道，国内也有多个大 学、科研院所逐步进入了该研究领域。 近年来，随着电路材料、计算机制作工艺、结构设计等技术的飞速发展，可穿 戴计算机在工业、军事领域的应用逐步走向实用化阶段，在可穿戴计算软件研究 领域中则面临了较多的困难和挑战，主要反映在传统桌面计算模式下设计、开发 的软件无法满足可穿戴计算应用需求，而移动计算、普适计算模式一方面和可穿 戴计算模式存在特征差异，另一方面自身的软件支撑技术很多方面也还处于探索 阶段，不能很好的为可穿戴计算软件研究提供支持。 鉴于上述分析，本文针对可穿戴计算技术在工业领域的应用，特别是针对企业 工程技术人员作业任务辅助方面的应用，提出构建基于可穿戴计算的企业现场作 业辅助系统( e n t e r p r i s eo n s i t et a s ka s s i s t a n ts y s t e m ，e o t a s ) ，并围绕其开展可 穿戴计算软件支撑关键技术研究。主要研究内容和创新之处可概况如下： 1 知晓车间实验原型的构建与上下文信息服务研究 企业移动作业的工程技术人员面临企业现场环境的复杂性和多变性，以及目标 设备的技术复杂性等实际问题，其作业辅助需求同样存在复杂性和多变性等特征， 给e o t a s 构建带来了较大的困难和挑战。本文从企业现场信息空间基础结构入手， 提出了一种新的概念“知晓车间，构建实验原型，归纳了企业现场作业辅助 领域中的典型上下文类型，研究基于知晓车间的上下文信息服务，力图为实现上 下文驱动的e o t a s 构建模式提供高效的信息服务支持。重点研究了适合知晓车间 应用需求的上下文知识表示和演化方法。 摘要 2 e o t a s 结构描述和自主构建方法研究 知晓车间上下文驱动的e o t a s 构建模式带来了e o t a s 在结构上的特殊性， 使得传统的软件系统结构描述方法不能很好的为e o t a s 结构描述提供支持。本文 针对典型的现场作业辅助应用需求开展原型软件系统研究，归纳出e o t a s 典型的 结构特征，研究e o t a s 结构形式化描述方法，提出了一种新的扩展分层有色p e t d 网形式，进而以其为基础，提出了一种结合模型驱动架构、开放式服务平台规范 和p e t r i 网标识语言等的e o t a s 自主构建方法。 3 e o t a s 动态调度方法研究 为了避免e o t a s 频繁的应用功能重构对系统实时性能和计算资源开销等的影 响，需要在一定程度上扩展所构建的e o t a s 功能集合，从而带来了现场辅助应用 中的e o t a s 动态调度需求。本文开展了e o t a s 动态调度方法的相关研究，首先 针对可穿戴计算所具备的自然人机交互形式基础，提出了一种基于多通道人机自 然交互的可穿戴人机协同概念形式，并围绕其应用，提出了一种基于扩展模糊有 色p e t d 网的e o t a s 动态调度方法，从而能有效的应对动态调度过程面临的来自 企业现场的不确定性和非结构化因素等的影响。 4 e o t a s 应用实例研究 针对典型的企业现场设备测试、诊断和维修任务，构建e o t a s 应用系统。总 结了围绕e o t a s 应用实例构建开展的上下文获取方法、上下文知识本体具体实现 方法、e o t a s 自主构建中的m e h c p n 软件工具开发等工作。 5 e o t a s 性能支撑关键技术研究 针对e o t a s 知晓车间应用中的性能保障需求，包括实时性需求、可靠性评估 需求、安全性和隐私保护需求等，研究面向知晓车间应用的上下文预测问题，提 出了相关的领域知识表示和基于知识推理的上下文预测方法；结合可信计算相关 研究成果，构建了适合e o t a s 结构特征需求的可信性模型，给出了相关的可靠度 计算方法等。 关键词：可穿戴计算，企业现场作业辅助系统，知晓车间，上下文信息服务，软 件支撑技术 a b s t r a c t t h ei d e ao fw e a r a b l ec o m p u t e rh a da p p e a r e de a r l yi nt h e19 6 0 s ，a n dt h er e a l e m e r g e n c eo fw e a r a b l ec o m p u t e rw a sa v a i l a b l ei nt h e19 8 0 s i tb r o k et h r o u g ht h e b o n d a g ef r o mt h e 缸a n d i t i o n a ld e s k t o pc o m p u t i n gm o d e l ，a n dd e p i c t e dab r a n dn f f w c o m p u t i n gp a r e mf o rt h eg o a lo f p e o p l e - o r i e n t e da n dh u m a n - c o m p u t e rc o m b i n e d ” i nt h em i d - 19 9 0 s ，谢t 1 1t h es t r o n gs u p p o r tf r o mt h em i l i t a r yi n s t i t u t i o n sh e a d e db y u n i t e ds t a t e sd e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ( d a r p a ) ，t h er e s e a r c ho f w e a r a b l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g yi sp r o g r e s s i n gq u i c k l yd r i v e n db yt h es t r e n g mo f m i l i t a r y , i n d u s t r ya n da c a d e 眦m a n yf a m o u sa n dr e s o a r c hi n s t i t u t i o no fd e v e l o p e d c o u n t r ys e tu ps p e c i a lr e s e a c hc e n t e ro rl a b o r a t o r yf o rw e a r a b l ec o m p u t i n gr e s e a r c h t h er e s e a r c hp r o d u c t i o nc o n t i n u e st ob es e e ni nt h e s ef i e l d s s o m ed o m e s t i cu n i v e r s i t i e s a n dr e s e a r c hi n s t i t u e sg r a d u a l l ym o v e di n t ot h e s er e s e a r c hf i e l d s i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fw e a r a b l ec o m p u t e ri nt h ei n d u s l r i a la n dm i l i t a r y f i d d se n t e r si n t oap r a c t i c a ls t a g ef o l l o w e dw i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i r c u i t m a t e r i a l s ，m a n u f a c t t a i n ga r t so fc o m p u t e r , a n ds t r u c t u r a ld e s i g n m a n yd i f f i c u l t i e sa n d c h a n l l e n g e so a t l l ef o r t hi nr e s e a r c ho f w e a r a b l ec o m p u t i n gs o i t w a r e t h er e a s o nm a i n l y i n c l u d et w os i d e s ：f i r s t l y , t h ef e a t u r ed i f f e r e n c e se x i s tb e t w e e nt h ew e a r a b l ec o m p u t i n g a n dm o b i l ec o m p u t i n g , p e r v a s i v ec o m p u t i n g ；s e c o n d l y , t h es u p p o r ts o f t w a r et e c h n o l o g y r e s e a r c ho f m o b i l ec o m p u t i n ga n dp e r v a s i c ec o m p u t i n gi ss t i l li ne x p l o r a t i o ns t a g e i nv i e w o ft h ea b o v ea n a l y s i s ，a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fw e a r a b l ec o m p u t i n g i nt h ei n d u s t r yf i e l d , t h ee n t e r p r i s eo n - s r et a s ka s s i s t a n ts y s t e m ( e o t a s ) i s p r e 烙e n t e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yt ot h ea p p l i c a t i o no fa s s i s t a n tt ot h ep e r s o n n e li n m a n u f a c t u r ef i e l d s t h ew o r ka b o u ts o m ek e ys o f t w a r es u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e si s d i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t si n c l u d ef i v ep a r t sa sf o l l o w s ： 1 c o n s t r u c t i o no fa w a r ew o r k s h o pe x p e r i m e n tp r o t o t y p ea n dr e s e a r c ho fc o n t e x t i n f o r m a t i o ns e r v i c e d u et oc o m p l e x i t ya n dd i v e r s i t yc h a r a c t e ro fe n t e r p r i s et a s kf i e l d , a n dt h et e c h n i c a l c o m p l e x i t yo ft a r g e te q u i p m e n t , t h ec o m p l e x i t yo fp e r s o n n e l sr e q u i r e m e n t , t h e a b s t r a c t i n f o r m a t i o na s s i s t a n tr e q u i r e m e n ti sa l s oc o m p l e xa n dd i v e r s e ；b r i n gg r e a td i f f i c u l t i e s a n dc h a l l e n g e st ot h ec o n s t r u c t i o no fe o t a s i nt h i sp a p e r , an e w a w a r ew o r k s h o p ”c o n c e p ti sp r e s e n t e da n dd e f i n e d , a n da l le x p e r i m e n tp r o t o t y p eo fa wi s c o n s t r u c t e d b a s e do na w , t h ec o n t e x ti n f o r m a t i o ns e r v i c ei sr e s e a r c h e d , i no r d e rt o p r o v i d eh i e r a r c h i c a l ，o p e n , c o m p l e t ea n dh i 曲e f f i c i e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c ei n c l u d i n g k n o w l e d g ea c q u i r e m e n t , r e p r e s e n t a t i o n , s t o r a g e , e v o l u t i o na n du t i l i z a t i o n t h ec o n t e x t k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n de v o l u t i o nm e t h o d sa r em a i n l yd i s c u s s e d 2 r e s e a r c ho fe o t a ss t r u c t u r ed e s c r i p t i o na n da u t o n o m o u sc o n s t r u c t i o nm e i d a o d s 1 1 硷a u t o n o m o u sc o n s t r u c t i o np a t t e r no fe o t a sd r i v e n e db ya wc o n t e x tb r i n g s s o m es p e c i a lp a r t i c u l a r i t yo fe o t a ss t r u c t u r e , w h i c hw e a k e n st h es u p p o r tp r 0 访d e db y t r a n d i t i o ns o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r ed 僦- r i p t i o nm e t h o d i nt h i sp a p e r , p r o t o t y p e s o f t w a r ei sd e v e l o p e dt oo u t l i n et h ee o t a s t y p i c a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r s t h er e s e a r c h w o r ko fe o t a ss t r u c t u r ed e s c r i p t i o nm e t h o di sd i s c u s s e d t h e n , an e wm o d u l a r e x t e n d e dh i e r a r c h yc o l o r e dp e t r in e t ( m e h c p b 0i sp r e s e n t e d b a s eo nm e h c p n ，t h e e o t a sa u t o n o m o u sc o n s t r u c t i o nm e t h o d si sp r e s e n t e d , w h i c hc o m b m et h em o d a l d r i v e na r c h i t e c t u r e ，o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v ea n dp e t r in e tm a r k u pl a n g u a g e 3 r e s e a r c ho fe 0 1 a sd y n a m i cs c h e d u l em e t h o d i no r d et oa v o i dt h eb a de f f e c to nt h es y s t e mr e a lt i m ep e r f o r m a c ea n dc o m p u t i n g r 豁) o u r c ec o s tw h i c ht h ef i o q u e n te o t a sr e c o n f i g n r a t i o nb r i n g s ，n e e de x t e n dt h e f u n c t i o ns e to fe o t a s ，a n dt h e nb r i n gan e wd y n a m i cs c b e d l l l er e q u i r e m e n tt oe o t a s i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c ha b o u te o t a sd y n a m i cs c h e d u l em e t h o di sd i s c u s s e d a t f i r s t , an e ww e a r a b l eh u m a n c o m p m e rc o l l a b o r a t i o nc o n c e p tf o r m a li s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h em u l t i - m o d a li n t e r a c t i o no nw e a r a b l ec o m p u t e r t h e n , e o t a sd y n a m i c s c he d _ u l em e t h o db a s e do n an e we x t e n d e df u z z yc o l o r e dp e t r in e t ( e f c p n ) i s 胛e n t e d ， f o rt h ed e a l i n g 谢mu n c e r t a i n t ya n du n s t r u c t u r e dp r o b l e m 4 r e s e a r c ho fe o t a s a p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h et y p i c a lt a s ka b o u te n t e r p r i s eo n - s i t ee q u i p m e n tt e s t , d i a g n o s i sa n d m a i n t e n c c ，s o m ee o t a sa p p l i c a t i o ns y s t e mi sb u i l d c o n t e n t sa b o u tt h ec o n t e x t a c q u i s i t i o nm e t h o d s ， c o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o no fc o n t e x tk n o w l e d g eb a s ea n d m e h c p ns o f t w a r et o o l k i td e v e l o p m e n tf o re o t a sa u t o n o m o u sc o n s t r u c t i o ni s d i s c u s s e d 5 r e s e a r c ho fe o t a s p e r f o r m a n c es u p p o r tt e c h n o l o g i e s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t o fp e r f o m m c eg u a r a n t e e ，i n c l u d i n gr e a l t i m e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t , r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nr e q u i r e m e n t , s e c u r i t ya n dp r i v a c y p r o t e c tr e q u i r e m e n t , e t c ，t h ec o n t e x tp r e d i c t i o np r o b l e m i sd i s c u s s e d , a n ds o m ed o m a i n k n o w l e d g ed e s c r i p t i o nm e t h o da n dc o n t e x tp r e d i c t i o nm e t h o db a s e o nk n o w l e d g e r e 2 塔o r ti sp r e s e n t e d c o m b i n e dw i t hs o m er e l e v a n tw o r k 五0 mt r u s t e dc o m p u t i n g r e s e a r c hf i e l d , at r u s t e dm o d e la d a p t e dt oe o t a ss t r u c t u r ec h a r a c t e ri sb u i l d , a n dt h e c o m p u t i n gm e t h o do f r e l i a b i l i t yi sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：w e a r a b l ec o m p u t i n g , e n t e r p r i s e o n - s i t et a s ka s s i s t a n ts y s t e m , a w a r e w o r k s h o p ，c o n t e x ti n f o r m a t i o ns e r v i c e , s o f t w a r es u p p o r tt e c h n o l o g y v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 虿盔! 丝 日期：渺p 年，2 月矽e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 垄岔兰纠导师签名：羞丝 日期：b , - o g - 年，2 月2 , o 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 可穿戴计算机( w e a r a b l ec o m p u t e r ) 自上世纪9 0 年代起逐步成为学术界的 热点研究问题，研究成果层出不穷，已从实验室的样机成为了具有使用价值的产 品，从学术研究走向了实际应用阶段，其应用促成了一种崭新的计算模式可 穿戴计算的迅速发展。本文以可穿戴计算技术在制造业等工业领域现场设备维护 类工程技术作业辅助方面的应用为背景，针对可穿戴计算软件研究面临的挑战和 困难，开展应用基础研究。研究得到国家自然科学基金项目“基于可穿戴计 算的设备装配和维护支撑模式及关键技术研究一以及国家8 6 3 计划项目“专 用可穿戴网络终端体系结构及关键技术研究一等的资助。 1 2 研究背景分析 1 2 1 发展历史简述 可穿戴计算的思想和雏形早在2 0 世纪6 0 年代就已出现，美国麻省理工学院媒 体实验室( m r rm e d i al a b ) 的创办人n i c h o l a sn e g r o p o n t e 在其著作( b e i n gd i 西t a l ( 该著作1 9 9 4 年被引入中国，译为数字化生存) 中设想：“未来数字化服装的 质料可能是有计算能力的灯芯绒、有记忆能力的平纹细纱布。 英特尔总裁克雷 格贝瑞也曾谈到：“未来的p c 不会是方方正正的，为了凸显人性化的特质，其 会以各种形状、大小融入日常生活中，像变色龙一般成为周遭环境的一部分。 如今，上述构想正在逐步成为现实，可穿戴计算技术逐步形成了一个新兴的研 究领域。一般认为，形态可穿戴计算机( 挎包和背心式等) 的发明人是目前在加 拿大多伦多大学的s t e v em a n n 博士，他早在8 0 年初代就开始进行可穿戴计算机 的研究，在m i t 攻读博士的时候继续了他的发明，并和其他研究人员一道创建了 可穿戴计算这一学术研究方向。学术界之外另一推动可穿戴计算技术发展的力量 来自于军事、工业等领域，美国国防预先研究计划局( d a r p a ) 于1 9 9 6 年7 月 赞助举行了第一届可穿戴计算专题研讨会，召集工业界、大学及军方的专家探讨 电子科技大学博士学位论文 未来可穿戴式计算机的潜力。b o e i n g 公司于1 9 9 6 年8 月在美国西雅图主办的第二 次可穿戴计算专题研讨会上，组织了五个专题分别讨论可穿戴计算研究相关的硬 件、软件、网络、人及应用等方面课题。这一在学术界诞生，受军事、工业推广 开来的模式使得“和应用的紧密结合一成为可穿戴计算研究的重要特征之一。 目前，世界诸多著名大学和研究机构都成立了专门的研究中心和实验室竞相开 展可穿戴计算方面的研究工作，自1 9 9 7 年由i e e e 主办了第一届可穿戴计算国际 会议( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nw e a r a b l ec o m p u t e r s ，i s w c ) 之后，该会议每年 举办一次，规模和水平不断提高。i e e e 专门设立可穿戴信息系统技术委员会 ( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo nw e a r a b l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ，t c w i s ) 。2 0 0 0 年i e e e p e r v a s i v ec o m p u t i n g 期刊出版了可穿戴计算的专刊。s t e v em a n n 博士已有两部关于 可穿戴计算的著作出版，一本是( c y b o r g ：d i g i t a ld e s t i n ya n dh u m a np o s s i b i l i t yi n t h ea g eo f t h ew e a r a b l ec o m p u t e r ) ，另一本是 i n t e l l i g e n ti m a g ep r o c e s s i n g ) ) 。v i r g i n i a t e c h 的w o o d r o wb a r - f i e l d 和u n i v e r s i t yo fn e wm e x i c o 的t h o m a sc a u d e l l 共同汇 编了( f u n d a m e n t a l so f w e a r a b l ec o m p u t e ra n da u g m e n t e dr e a l i t y 一书。不少大学 已推出了各种不同用途的可穿戴计算机样机和系统，至少已有几十项相关发明专 利。我国于9 0 年代中后期开始介入该领域研究，并于2 0 0 1 年和2 0 0 3 年陆续举办 了两届可穿戴计算技术学术会议。 1 2 2 基本概念及分析 在什么是可穿戴计算和可穿戴计算机方面，有不少的描述和定义，s t e v em a n n 给出的三个模式和六个属性具有一定的代表性f l 】。他认为，可穿戴计算应具备三种 基本的使用模式，包括： 1 ) 持续辅助( c o n s t a n t a s s i s t a n t ) ，即可穿戴计算机总是处在工作、待用和可 存取状态( a l w a y so n ，a l w a y sr e a d ya n da l w a y sa c c e s s i b l e ) ，为人机之间提供一种“持 续接口 ( c o n s t a n tu s e r - i n t e r f a c e ) ，这体现了其与传统手持计算装置、便携式电脑 等的一个不同之处。 2 ) 增强( a u g m e n t a t i o n ) ，如果根据面向对象方法对人的日常行为进行简单的 建模分析的话，可以将影响视觉、触觉等的生理部分视为“人一这个对象的“感 官接口 ，将控制人员进行运动、观察、思考等行为的生理部分视为人的“效用接 口力。而可穿戴计算的持续性特征使得其具备了持续地通过自身的传感和网络接口 来感知外界环境，并通过和人员之间建立的交互接口来“增强力人员自身感知认 2 第一章绪论 识能力的基础，如图1 - 1 。 骤 操作控镧：譬知 大 脑 i 应 一接 思考l 口 判断l 语言 文! 搦 韭 算r 互l 机l 两 输li 络 出li 接 通iie l 数据交换 现场环境7 环境网络 图1 1 可穿戴计算的“增强”模式示意图 3 ) 介入( m e d i a t i o n ) ，如图1 2 。在“介入一模式下，可穿戴计算通过技术手 段实现了在信息空间上对人员的一种“包裹，通过对外界信息的过滤和适度地调 整影响人员对现实世界的感受和认知，另一方面还能够对离开“包裹”空间的信 息进行处理，实现对用户隐私( p r i v a c y ) 的保护。 图1 - 2 可穿戴计算的“介入”模式示意图 此外，可穿戴计算还具有以下六个基本属性： 1 ) 非限制性( u n r e s l r i c t i v et ot h eu s e r ) ，强调用户能在各种行为状态下不受限 制的使用可穿戴计算系统。 2 ) 非独占性( u n m o n o p o l i z i n go f t h eu s e r sa t t e n t i o n ) ，可穿戴计算不能阻断用 3 感官接口 实象 事衷 电子科技大学博士学位论文 户和外界环境之间的联系，即便是在增强、介入等模式下使用，也只是对外界信 息进行适度地过滤和调整。 3 ) 可观性( o b s e “a b l e b y u s e r ) ，在用户允许的情况下，持续的通过各种方式 和用户进行交互，即“a l m o s t a l w a y so b s e r v a b l e ”。 4 ) 可控性( c o n t r o l i a b l eb yu s e r ) 。任何时候都必须能够被用户控制，即使是 在某些预定的自动运行状态下。 5 ) 感知性( a t t e n t i v e t o t h e e n v i r o n m e n t ) ，必须有较强的环境感知能力。 6 ) 交流性( c o m m u n i c a d v et oo t h e x s ) ，必须能充当多个可穿戴计算用户之间 的交流媒介角色。 构建一个具备上述典型使用模式和基本属性的可穿戴计算机，在软硬件结构设 计等方面，都面临较大的挑战，这也一直是可穿戴计算领域的重点研究问题。硬 件结构研究包括集中主机式和分布式两个主要的发展方向埘： 集中主机式将传统的计算机主机进行微型化后，以腰包、背包或背心的方式进 行穿戴，并配备相应的显示、人机交互、环境感知、网络等硬件装置构建可穿戴 计算系统，这类系统结构的优势是便于利用成熟的电子器件、材料和设计技术， 快速搭建实用系统投入应用研究，缺点在于采用和传统计算机相近的体系结构使 得其在可穿戴性、可靠性、环境适应性等方面还面临较多挑战，还需要深入开展 人机交互、支撑软件、应用樽式譬肯而的研有蜜加眦府对 图1 3 国外可穿戴计算机产品 r 图1 4 国内外的一系列集中式可穿戴计算机主机 目前集中主机式的可穿戴计算机已有不少研究性样机和商品化的产品，在军 事、航空、航天、制造、物流等领域也初步投入了实际的应用。圈1 - 3 中，从左起 依次为国外q u a n t u m 3 d 、v i a 、x y b e m a u t 等机构推出的可穿戴计算机产品，图l _ 4 i ，1 第一章绪论 则是为电子科技大学移动计算中心设计和开发的两代可穿戴计算机。 基于分布式的硬件结构研究方向提出将整个系统的计算、通信和传感等主要的 模块都分别放置到衣物及其夹层上，采用一些前沿的“编织”电路、智能织物【3 】、 行走发电等材料和新能源技术【4 i 。该类研究方向还处于逐步成熟阶段，存在较多的 技术困难和挑战，还不能适应军事、工业等领域的复杂实际应用需求。 1 2 3 可穿戴计算在企业现场作业辅助领域的应用 如何提高人员的作业效率，是企业一个永恒的话题。从早期传统的作业研究口 ， 到以绩效为基础的设计( p e r f o r m a n c ec e n t e rd e s i g n ，p c d ) ；从电子绩效支撑系 统( e l e c t r o n i cp e r f o r m a n c es u p p o r ts y s t e m ，e p s s ) ，到电子学习( e - l e a m i t t g ) 和 知识管理等等，人们尝试从人、机、环境等各种因素入手，寻求各种信息技术手 段，以改善企业生产活动状况。当前，在企业设各维护作业现场，包括便携式计 算机、工业平板电脑、个人数字助理( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，p d a ) 在内的各 种计算装置得到了广泛的应用 6 l ( 如图1 - 5 ) ，但在实际应用中面临多方面的困难 和局限，具体反映在： 秦攀勋鬻fj 翻 图1 5 基于平板电脑、p d a 等的企业现场人员作q k 辅助应用 1 ) 有限的界面资源：选择此类计算设备用于现场应用时经常面临尺寸和界面 大小的两难选择，尺寸小，则便于携带，但界面显示能力则受到限制，用于大量 技术信息显示时容易出现迷失：尺寸大，能提供足够的界面用于信息选择和浏览， 却又过于笨重，难于携带。 2 ) 不适合现场作业人机交互方式：基于手写笔和触摸屏的操控方式使得人员 的双手长时间被其占用，影响了人员实际的操作，同时，在实际作业中，当人员 需要浏览大量的技术信息时，用户视线和双手需要频繁的在p d a 、平板电脑等和 目标殴各上切换，易于出现疲劳和抵触情绪。 3 ) 难以融入各种复杂的作业环境：在一些特殊的作业场合，如电缆装配、发 动机维修等，人员往往需要进八机舱、笈动机等设备内部，在这些场景下，人员 电子科技大学博士学位论文 在狭小的空间之中，往往处于卷曲、躺卧等状态，上述便携式计算设备难以正常 使用。 4 ) 严重的能耗约束：这使得此类便携计算设备一般仅用于辅助性的技术信息 浏览，难以应对技术人员在面临现场复杂技术设备时的各种学习、训练、仿真、 指导、协作等需求。 鉴于上述原因，自上世纪九十年代以来，可穿戴计算机逐步在工业、军事等 领域的现场设备维护作业辅助方面得到了广泛的关注和研究应用，典型的可穿戴 计算机： 1 ) 具备良好的可穿戴性和便携性，一般采用头戴显示器( h e a dm o u n t e d d i s p l a y ，h m d ) ，可为用户提供与桌面显示器相近的显示效果，适合各种场合下 的持续信息浏览； 2 ) 可选择使用臂式或单手键鼠、语音控制、数据手套、视线跟踪等技术，能 实现各种应用场合和用户姿态下的无障碍人机交互： 3 ) 具备和普通桌面计算机相近的计算能力，支持各种丰富的外围接口，可扩 展性强，能支持各种传感数据采集、实时网络通讯、数据处理和分析、个性化用 户界面定制等实用功能。 总的来说，可穿戴计算机的出现和迅速发展，使得其具备了逐步替代上述便 携式计算装置，构建高效的企业现场设备维护作业辅助系统的潜力，当然，这一 目标的实现还需要开展多方面的研究工作来提供支持，可穿戴计算软件的研究就 是其中一个重要的组成部分。 1 2 4 可穿戴计算软件研究的主要内容和意义 目前在可穿戴计算软件研究领域，可见的研究报道绝大部分还是以集中主机式 的可穿戴计算机作为硬件平台。早期的可穿戴计算应用直接使用传统的桌面计算 ( d e s k t o pc o m p u t i n g ) 软件，在人机交互方式、开放环境适应能力、实时性能、 服务质量、可靠性、资源开销和数据管理等多方面都不能适应可穿戴计算的典型 模式和属性等特征，无法体现可穿戴计算自身优势，满足军事、工业等领域的特 殊应用需求。可穿戴计算软件研究应摆脱传统桌面计算技术的影响，并区别于移 动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 和普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 技术等，探索新 的软件系统构建方法，以及软件系统行为模式、演化机制、评估方法等，将其统 称为可穿戴计算支撑软件技术( s u p p o r ts o f t w a r et e c h n o l o g y ) 。当前该领域研究 6 第一章绪论 主要包括以下一些主要内容。 124 1 可穿藏计算应用软件研究 在工业、军事等典型行业领域中，可穿戴计算软件所提供的实际应用功能，已 经从早期的简单技术信息洲览辅助功能，如图纸、地图浏览等，发展到各种复杂 的绩效支持( p c r f o r m 皿c c s u p p o r t ) 及作业辅助( t a s k a s s i s t a n t ) 功能，包括： 1 ) 作业任务日志维护：基于传统的手持计算设备，如p d a 、智能手机等，为 技术人员提供设备日志等的读取和填写等应用功能，而通过可穿戴计算机所提供 丰富的硬件接口和与桌面系统相近的计算资源，则能够通过配备各种传感、交互、 网络设备来和作业现场环境实体进行信息交换，从而扩展作业日志维护的应用功 能范畴，包括作业现场人员、设备、物理环境等状态信息的获取、存储、查询、 管理、更新等等，美国卡耐基梅隆大学设计了一种可穿戴人员助理( w a t r a b l e o l x r a t o sa s s i s t a n t ) 用于海上石油钻井平台上的技术人员辅助所提供的任务日 志信息包括：任务工单、设备系统状态数据、维护记录、同行和技术专家信息等 等明，如图1 6 。文械踟提出丁。l i f e - l o g ”的概念，即基于可穿戴计算系统，记录 人员日常的工作、学习、娱乐等活动中的相关信息，并建立了相应的数据存储、 搜索、关联分析、预测机制，如图1 7 。 卑$ 霉霉t o 冀l - _ _ = e 口口。 田a 口露盘盘黟0 00 0 商日 囱善；”毒- - ：墨 ? 凳；篡= 三寰。：= = ”暑 = z 等- ： 葛 “一，i j u 童运二：二羔釜釜画鱼望 图1 - 6 可穿戴人员助理系统用户界面 2 ) 作业任务学习及仿真训练：基于可穿戴计算机配备的人机自然交互设备， 包括单手( 臂式) 键鼠、轨迹球、触撕手写板、语音输入装置、数据手套、视线 跟踪装置等；以及位置、姿态、生理、行为、物理等传感，能有效的模拟典型的 作业现场环境，从而能为技术人员提供学习和仿真训练等应用功能。日本东京电 力工业中心研究所基于可穿戴计算机构建企业消防和电力设备维护作业训练系 电子科技大学博士学位论文 统，通过机器视觉、增强现实、位置姿态估计等技术的应用，能在虚拟的环境下 为人员提供真实的作业学习和训练环境删，如图1 - 8 。 是幽嘭国 鬻 图1 7u f e - l