溺水身亡事故已经成为中小学生非正常死亡的头号杀手，据《信息时报》的报道，中国平均每天有150名14岁以下的儿童因意外死亡，其中溺水身亡人数占总人数的40%左右，由此可见，溺水已经成为一个必须重视的儿童安全问题。另外，对于成年人，据世界卫生组织《全球溺水报告》统计，我国每年约有5.9万人死于溺水，而其中成年人占比约为5%，这说明相对于成年人，缺乏安全意识和游泳技巧的未成年人更容易在游泳时产生危险以及不能在危险发生时采取有效的行动保护自己的生命安全。针对这一问题，我们设计了一种新型智能游泳保护腰带，提供尤其针对未成年群体在游泳时的最大限度的保护。智能是本智能游泳保护腰带的一大亮点，它能够通过对使用者心率的实时监测数据、水位计数值的分析，根据尽可能多次的针对溺水时人体应激反应时所产生的振动频率的计算机学习训练结果，准确地判断使用者在游泳时的状态，从而产生控制气囊的命令。这种智能功能的设置对在紧急情况下不能做出正确反应的未成年人能够起到较好的保护作用。
1.现状分析
1.1国内研究现状分析
由周军现于2004年公示的专利显示，他研发了压缩气瓶充气式的游泳安全带，其气瓶与口吹管以及救生衣上的气囊相通，既可以为溺水者提供氧气以供呼吸，也能够快速充起气囊，提供浮力从而支撑人体浮出水面。在危险时刻，使用者手动拉动触拉杆使得充气阀撞针刺破充气瓶密封膜，由充气瓶中的压缩气体迅速充气形成救生圈。徐红港等设计了能迅速充气的安全泳服，安全泳服是现阶段游泳保护所采用的较为普遍的防溺水保护装备，徐红港等设计的安全泳服采用了能迅速产生气体的药剂进行充气，能够进行主动式的安全救护，是集泳服作用和救生器具功能为一体的新式游泳服。上述两款装备创新程度不高、便携性差，并且均为主动式安全救护，对于在游泳过程中处于危险之中不能做出正确判断的未成年人并不能做到较好的应急保护。
1.2国外研究现状分析
相对于国内，国外的游泳保护装备其技术更为先进、使用更加方便、创新程度更高。Kingii公司创始人TomAgapiades在朋友溺水身亡的事故中产生灵感，设计出一种Kingii可佩戴式救生手环如图1所示。他希望这种救生手环能够帮助避免悲剧的再次发生。Kingii救生手环仅重168g，游泳时将手环佩戴在腕部，当使用者不幸溺水时，只需搬动阀门开启，手环就会在1s内迅速弹出醒目的橙色充气气囊，将溺水的人员迅速拉出水面，其最高可负重达125公斤。小巧方便的救生手环可以代替传统救生衣，起到更好的保护作用。安全游泳救生项圈ploota是世界上首款内置传感器的游泳安全设备，能够自动检测紧急情况，让它备受欢迎。通过内置的智能系统触发机关，安全游泳救生项圈ploota可以在5s内让二氧化碳在脖子上“吹”出两个气囊，直接把头拽出水面，能够保护使用者的生命安全。除此之外，使用者还可以通过自己手动打开的方式来启动安全气囊以保证自身的安全。相比于国内外现有的产品类型，本新型智能游泳保护腰带能够智能控制并且对于使用者游泳时状态的判断更为准确，同时，贴合身体的设计使得它不会产生较大的阻力，妨碍使用者正常游泳。而在轻盈便携方面，Kingii可佩戴式救生手环的轻量化创新值得借鉴和优化。
2.功能介绍
本新型智能游泳保护腰带能够自主判断使用者在游泳时的状态并且在气囊充气救护的过程中分辨使用者的头部朝向，并据此发出命令，控制气囊气体的生成量以及生成速度，从而带动使用者头部朝上，浮出水面。使用者可以选择手动和智能控制的形式作为本游泳保护腰带的运行方式，为保证安全性能，应对突发情况，我们将手动控制设定为绝对控制。该游泳保护腰带能够实时监测使用者所处的水位和使用者的平衡状态。在智能游泳保护腰带上配备有水位检测装置和水平仪，水位检测装置能够实时获得其所在位置所受到的水中的压强，从而利用压强数据计算出距离水面的位置，同时，本新型智能游泳保护腰带后腰部位置为三角形状，其上配备的水平仪能够向控制系统实时传输使用者的平衡状态，配合计算机学习的训练数据进行判断，就能够确定使用者此时的游泳状态从而发出相应的指令。而三角形状就是为了控制使用者在穿戴本产品时方向正确，使得数据的收集不会受到方向辨别错误的干扰。我们将智能游泳保护腰带设计成为紧贴人体腰部曲线的形状，在使用者游泳时并不会产生很大的阻力以至于影响正常的游泳状态。同时，针对不同体态的人以及未成年人，我们设定了大、中、小以及未成年款供消费者选择，也增加了泄气阀和高音救生哨，使得使用者能够在紧急情况下有更多的选择方案和可以使用的装备。手动控制功能并不能够进行气体产生量和气体产生速度的控制，在使用者拉动紧急拉环时，气囊就会迅速充气、弹出。拉环串联了各个气囊区气体产生装置的阀口，拉开开环，各个阀口都会打开，救生圈就会迅速充气胀起，此时高音救生哨也会被控制发出SOS高音信号呼救，让使用者浮出水面后等待救援人员的救助。
3.新型智能游泳保护腰带的总体设计
3.1功能设计及其实现
环形可控多节气囊：本新型智能游泳保护腰带的气囊层叠放置在腰带内部，腰带上有内部易开的卡扣将气囊卡在腰带的气囊放置层中，当气囊充气张开时很轻易就能够打开卡扣，从腰带内部弹出并且上浮到使用者的腋下形成一个游泳圈。环形气囊分为多节气室，每一节都连接在一起但是却隔离开来，这是为了进行智能平衡控制以及避免救生气囊被扎破的情况出现，这样，即使有某个气囊被扎破，其他的气囊也不会漏气能够继续进行工作，填补了充气式救生装置的安全漏洞。每个气室各自配备有小型的气体产生装置，这种气体产生装置利用能迅速产生气体的药剂进行工作，并且每个装置的药剂分隔口均串联到腰带上的手动紧急拉环上，只要使用者拉动拉环，所有的药剂分隔口都会随拉环一起被拉开，各个气囊就会迅速充气弹出，对溺水的使用者进行主动式的保护，形成救生圈，令使用者浮出水面。气囊末端与腰带内部有两根绳索连接，当气囊充气胀起后，会上浮到腋下的位置方便使用者自主保持平衡，其绳索的长度也可以根据使用者自身的情况在使用前进行适当的调整，这样能够更加适合使用者的体型从而起到更好的保护效果。智能控制模式：我们将本新型智能游泳保护腰带的智能控制分为两个部分：数据收集与分析判断部分和控制与执行部分。对于数据收集与分析判断部分：在本新型智能游泳保护腰带内部，我们安装了小型智能控制芯片，它将水位检测装置、水平仪、心率监测装置和振动频率收集器收集到的水位、平衡、心率和振动频率数据与内部数据库中的数据进行比对判断，从而发出指令对游泳保护腰带进行控制。对于控制与执行部分：上述环形可控多节气囊的智能控制是智能控制模式的执行核心，产生的命令和智能调控的结果都要作用、体现在对环形可控多节气囊的控制过程中，这样才能完成本新型智能游泳保护腰带设计的初衷。智能芯片通过控制各个气体产生装置的智能控制阀口的开启程度，控制气体的产生速度和生成量，从而完成对使用者平衡的控制与调整。我们将使用者溺水时的头部朝向角度进行范围规划，以垂直于水面方向为0°，设定+80°至-80°为朝向向上的角度范围，而+90°至+80°、-90°至-80°设定为水平朝向的角度范围，其余+90°至+270°（或-90°至-270°）称为负角度范围。当系统判别使用者处于溺水状态时，若此时腰带的朝向为向上的角度范围内时，控制芯片就会发出指令，此时气囊以最快速度充气形成救生圈，让使用者即刻浮出水面进行自救或者等待救援人员的救助。若水平仪传回的数据显示使用者处于水平朝向的角度范围时，会控制背部或者腹部的气囊迅速充气，将使用者提至水面，再控制其他部分气囊逐渐充气胀起。若水平仪传回的数据显示使用者处于负角度范围时，便会根据不同的情况和角度进行部分气囊逐渐充气，控制使用者让其身体趋于平衡，使其头部浮出水面以保全生命，等待救援人员救援。这种智能控制针对在紧急情况下不能做出正确反应的人尤其是未成年人，让他们在紧急情况下能够最大限度地维护其自身的生命安全。泄气阀：为了能够在救援后进行拆卸利用和应对突发状况，我们在气囊的上部设置了手动开关的泄气阀，在救生气囊开启后使用者若先转动后拉动其上的泄气阀，就能够将气囊中的气体排出，完成气囊放气的操作。为了避免误操作，所以我们在泄气阀上设计了其专用的带有旋转卡槽的开关，只有先旋转泄气阀开关，然后将其拉动，才能将其打开进行排气工作，这样能够保证使用者在危急情况下不会误操作，造成不可挽回的损失。实际上，旋转拉动所用的时间极短，并不会耽误时间影响使用者操作。高音救生哨：当系统判别使用者处于溺水状态时，就会控制高音救生哨启动。在游泳过程中突发的紧急情况下，电子高音救生哨会发出SOS求救信号进行求救，同时该救生哨也能在非电子控制的状态下运行，这样对于有经验者来说能够进行远距离的交流，同时，在人的体力不足的情况下，不论是老年人，还是小孩子，还是伤者、病人都能轻轻吹响，并能够让救援人员听到，以达到被救助的目的。无干扰功能：本新型智能游泳保护腰带将气囊进行压缩折叠放入气囊放置夹层中，其材料柔软轻盈，穿戴在腰部后与正常的腰带相似度很高，并且其后腰部的三角形识别块根据人体工学的知识进行设计，与人体后腰部曲线贴合，穿戴起来不留缝隙且十分舒适，使用者在正常游泳时并不会产生异样感，反而增加了用户使用的舒适性和满意度。紧贴人体的设计使得使用者在游泳时不会受到由本新型智能游泳保护腰带带来的阻力，能够沉浸式地正常游泳，这也是比国外研究现状分析中所述的Kingii可佩戴式救生手环更优化的其中一个因素，Kingii可佩戴式救生手环在使用时需要将其戴在使用者的手腕部，穿戴这样的装备进行游泳，为游泳时手腕部的动作增添了负担，降低了使用者的游泳体验感。
4.结束语
本新型智能游泳保护腰带在被动式溺水救助方面进行创新，通过智能化的控制系统让游泳时在紧急情况下不能做出正确反应的人尤其是未成年人能够接受装备被动式的救助。在智能控制下，能够通过收集到的水位、平衡、心率和振动频率数据进行对比分析，从而判断出使用者此时的状态并据此确定需要采取的措施。通过环形可控多节气囊的各个气囊充气量、充气速度的不同来调整使用者在水中的平衡，进行溺水时的救助。本新型智能游泳保护腰带的设计能够帮助使用者在游泳过程中应对可能出现的紧急情况，本游泳装备设计就是希望能够最大程度上减少因溺水身亡的人数，尽量避免悲剧的发生。
作者：张昕辰 雷亚琦 单位：佳木斯大学 机械工程学院
