淺談乘務(wù)員睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在朔黃鐵路的應(yīng)用

文/宋佳

1 前言

鐵路傳統(tǒng)的乘務(wù)員入寓備班制度，需要通過人員現(xiàn)場(chǎng)巡視來掌握乘務(wù)員的休息狀態(tài)。但這種制度既不能準(zhǔn)確掌握乘務(wù)員入寓和休息真實(shí)狀態(tài)，乘務(wù)員也不能觀察自身的實(shí)際健康狀態(tài)，浪費(fèi)了大量的人力物力[1]。本項(xiàng)目的目的就是利用既有的有線和無線網(wǎng)絡(luò)，通過在公寓床位安裝醫(yī)用級(jí)別生命體征狀態(tài)監(jiān)測(cè)終端，搭建一套乘務(wù)員睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)狀態(tài)的監(jiān)控和管理平臺(tái)，以此為調(diào)度人員對(duì)乘務(wù)員的出乘提供科學(xué)依據(jù)，確保行車安全。此外，本系統(tǒng)還可以和乘務(wù)員年度體檢報(bào)告狀態(tài)相結(jié)合，做到有效的日常跟蹤和分析，隨時(shí)提供個(gè)人身體異常變化情況[2]。為此，我們結(jié)合了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的健康管理技術(shù)，并根據(jù)乘務(wù)員相關(guān)管理要求，研發(fā)了乘務(wù)員智能安全健康管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文對(duì)乘務(wù)員睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過運(yùn)用特殊生理信息分離技術(shù)，以MEMS 空氣壓力傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，在不產(chǎn)生任何干擾的情況下，對(duì)乘務(wù)員在公寓內(nèi)正常休息過程中在床時(shí)間和睡眠情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)理臨床醫(yī)學(xué)測(cè)試專業(yè)評(píng)判機(jī)制，做出睡眠質(zhì)量評(píng)分報(bào)告，并以此優(yōu)化現(xiàn)階段乘務(wù)員的公寓查寓機(jī)制，為提供更科學(xué)的乘務(wù)員備班制度管理提供有力支撐[3]。

2.2 設(shè)計(jì)功能需求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要功能包括如下：

2.2.1 監(jiān)測(cè)睡眠狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警提醒。對(duì)乘務(wù)員的出入公寓休息、上下床的時(shí)間以及離床時(shí)間、次數(shù)和睡眠時(shí)長(zhǎng)等多類信息進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出預(yù)警，例如違規(guī)行為和睡眠時(shí)間不足等，使管理工作者可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正問題。

2.2.2 評(píng)估睡眠質(zhì)量、輔助出勤決策，并根據(jù)優(yōu)、良、差不同睡眠狀態(tài)評(píng)價(jià)，向出勤值班人員傳輸結(jié)果，以作為判斷乘務(wù)員是否可以正常出乘的關(guān)鍵判定標(biāo)準(zhǔn)之一[4]。

2.2.3 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控強(qiáng)大管理功能。該系統(tǒng)基于C/S 和B/S 架構(gòu)共存，管理者可以通過登錄瀏覽器Web 客戶端，統(tǒng)一管理并查看公寓的床位情況、人員狀況、歷史睡眠數(shù)據(jù)以及背板管理等相關(guān)信息，便于統(tǒng)一管理。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架

在設(shè)計(jì)鐵路乘務(wù)員睡眠監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)時(shí)，需要采集乘務(wù)員的睡眠休息生理參數(shù)分析數(shù)據(jù)，以低負(fù)荷、無干擾為主要特點(diǎn)，輔助公寓設(shè)計(jì)端與網(wǎng)頁端，其中包括檢索、統(tǒng)計(jì)、管理等功能。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)乘務(wù)員睡眠狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，同時(shí)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程與整體功能設(shè)計(jì)需求結(jié)合，做好總設(shè)計(jì)方案構(gòu)架[5]。該系統(tǒng)平臺(tái)采用了AD 芯片和單片機(jī)硬件設(shè)備，保證了系統(tǒng)具有生理數(shù)據(jù)采集、模擬信號(hào)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)以及串口發(fā)送等多功能；數(shù)據(jù)處理硬件裝置應(yīng)用了S3C2440 芯片，能夠提取乘務(wù)員信號(hào)濾波特征，傳輸最終結(jié)果；公寓端軟件能夠分析所得數(shù)據(jù)，并運(yùn)用睡眠分期算法獲得乘務(wù)員的睡眠情況；數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)頁端調(diào)用數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢檢索。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)方案

結(jié)合上文分析該平臺(tái)設(shè)計(jì)的功能需求，選用單片機(jī)系統(tǒng)、ARM 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

3.2 床毯式信息采集裝置

在本次系統(tǒng)傳感器電路設(shè)計(jì)中，決定采用同軸設(shè)計(jì)，在層與層之間應(yīng)用絕緣材料，同時(shí)環(huán)繞電纜為圓環(huán)形狀，以此不僅能夠有效確保人體在床墊上良好接觸電纜，還能夠在人體呼吸、脈搏不影響前提下完成對(duì)微小人體動(dòng)作的測(cè)量，具備較高靈敏性和抗干擾性[5]。采用單片封裝式微控制器單片機(jī)處理型號(hào)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多資源系統(tǒng)的有效集成，還可以充分減少元器件數(shù)目及電路面積，有效降低系統(tǒng)成本提高信息處理工作效率。

3.3 床旁信息分析裝置

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了ARM 處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)，其FLASH 存儲(chǔ)器能夠在不需要電流供應(yīng)設(shè)計(jì)中長(zhǎng)久保持?jǐn)?shù)據(jù)，在開機(jī)之前也無須重新載入。如今市場(chǎng)中主要應(yīng)用的閃存硬件技術(shù)包括了NOR 和NAND，它們能夠聯(lián)合S3C2440 芯片，選擇技術(shù)特點(diǎn)符合設(shè)計(jì)需求的FLASH 技術(shù)[6]。該平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景能夠融入管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)，提供有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析及針對(duì)性建議，在列車安全管理的同時(shí)保證機(jī)車的運(yùn)行安全、質(zhì)量安全、顯示終端和機(jī)車數(shù)據(jù)下載，且在乘務(wù)員狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理中可以做到睡眠監(jiān)測(cè)、健康管理、視頻監(jiān)控、值乘狀態(tài)[7]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了上層應(yīng)用程序，以跨平臺(tái)軟件Qt 為開發(fā)工具，其主要包括了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理、整合及發(fā)送功能。數(shù)據(jù)處理模塊能夠提取乘務(wù)員的睡眠相關(guān)數(shù)據(jù)和生命體征參數(shù)，并以此作為監(jiān)測(cè)管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖1 為該平臺(tái)的固定端功能。

圖1 平臺(tái)固定端功能

4.1 數(shù)據(jù)采集功能模塊

在乘務(wù)員睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集子功能模塊設(shè)計(jì)中，可以通過單片機(jī)連接傳感器接收測(cè)量的睡眠質(zhì)量數(shù)字信號(hào)，并將其作為設(shè)備數(shù)據(jù)采集圖，啟動(dòng)時(shí)序成功發(fā)送指令，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直至完成數(shù)據(jù)接收和校驗(yàn)。

4.2 中斷功能子模塊

設(shè)計(jì)T0 中斷子程序作為設(shè)計(jì)的單片機(jī)5s 是1 次間隔的最低優(yōu)先級(jí)，但同時(shí)不可忽略這個(gè)子程序的設(shè)計(jì)重要性。在響應(yīng)系統(tǒng)中斷信號(hào)時(shí)，單片機(jī)應(yīng)當(dāng)采集睡眠質(zhì)量測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波并對(duì)數(shù)字信號(hào)是否超出限制進(jìn)行判斷，然后轉(zhuǎn)換標(biāo)度處理，顯示測(cè)量轉(zhuǎn)換所得睡眠質(zhì)量數(shù)值。相較原本設(shè)定數(shù)值，控制濾波算法程序能夠完成控制信號(hào)并實(shí)時(shí)輸出。在設(shè)計(jì)T1 中斷子程序時(shí)，在T0 中斷嵌套T1 定時(shí)中斷，T1 較T0 優(yōu)先級(jí)更高；對(duì)T1 定時(shí)中斷的數(shù)值設(shè)定，根據(jù)濾波算法計(jì)算所得；T1 的響應(yīng)中斷時(shí)間可作用于系統(tǒng)睡眠質(zhì)量監(jiān)控的輸出信號(hào)控制。

4.3 分析控制模塊

在本次設(shè)計(jì)乘務(wù)員睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，設(shè)定的系統(tǒng)運(yùn)算為常用PID 數(shù)字控制，同時(shí)與該系統(tǒng)特性結(jié)合改進(jìn)該算法，最終確定為濾波算法和生命特征波提取算法的結(jié)合應(yīng)用，并形成了本次監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)中的自動(dòng)識(shí)別算法。其不僅能夠有效減少系統(tǒng)超調(diào)量，還能夠克服算法運(yùn)算過程中的積分飽和問題，很大程度提升系統(tǒng)設(shè)備睡眠質(zhì)量、采集輸出信號(hào)的控制精度。

5 成果應(yīng)用情況及技術(shù)展望

如今在朔黃鐵路應(yīng)用乘務(wù)員睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，成功彌補(bǔ)了視頻、警惕按鈕常規(guī)設(shè)備盲點(diǎn)，同時(shí)還能夠?qū)α熊嚦藙?wù)員的個(gè)人狀態(tài)進(jìn)行在線提醒。經(jīng)4G 無線傳輸功能可以做到計(jì)算機(jī)終端控制平臺(tái)、集中顯示報(bào)警信息、關(guān)注乘務(wù)員的執(zhí)乘情況。在乘務(wù)員執(zhí)乘情況不佳時(shí)，值班管理人員需要在必要時(shí)采用及時(shí)干預(yù)措施。列車鐵路乘務(wù)員的睡眠預(yù)警監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，極大改善了乘務(wù)員公寓的環(huán)境和設(shè)施，且嚴(yán)把計(jì)劃關(guān)和叫班關(guān)，做到精準(zhǔn)叫班，另外還最大限度地保證了乘務(wù)員入寓休息時(shí)間，擁有較好的適用性、先進(jìn)性，獲得了朔黃鐵路單位的使用好評(píng)，在列車交通中擁有良好推廣及應(yīng)用價(jià)值。

目前該乘務(wù)員睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)形成相對(duì)完善的管理體系。由出勤至退勤的整個(gè)過程中，都應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)相應(yīng)系統(tǒng)，以此保障列車的行車安全。所以，在未來平臺(tái)升級(jí)優(yōu)化的發(fā)展方向中，可以引入大數(shù)據(jù)平臺(tái)在海量數(shù)據(jù)分析中掌握乘務(wù)員的入睡時(shí)長(zhǎng)、心率、呼吸相關(guān)信息，并查找乘務(wù)員在備班中睡眠狀況不足的主要原因，真正為乘務(wù)員的身體狀態(tài)提供良好的數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)，創(chuàng)建乘務(wù)員醫(yī)療介入，提供EAP 服務(wù)（朔黃鐵路機(jī)輛分公司的員工關(guān)愛計(jì)劃）。

6 結(jié)語

綜上所述，通過在朔黃鐵路中構(gòu)建乘務(wù)員睡眠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)每日系統(tǒng)監(jiān)測(cè)乘務(wù)員的睡眠質(zhì)量報(bào)告情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)中各備班室乘務(wù)員的隨眠情況進(jìn)行通報(bào)，能夠方便各單位及時(shí)掌握乘務(wù)員在執(zhí)乘時(shí)的精神狀況，滿足乘務(wù)員的個(gè)人安全健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警需求，有效保障了朔黃鐵路列車的行車安全。