淺談乘務員睡眠監測系統在朔黃鐵路的應用

文/宋佳

1 前言

鐵路傳統的乘務員入寓備班制度，需要通過人員現場巡視來掌握乘務員的休息狀態。但這種制度既不能準確掌握乘務員入寓和休息真實狀態，乘務員也不能觀察自身的實際健康狀態，浪費了大量的人力物力[1]。本項目的目的就是利用既有的有線和無線網絡，通過在公寓床位安裝醫用級別生命體征狀態監測終端，搭建一套乘務員睡眠質量監測狀態的監控和管理平臺，以此為調度人員對乘務員的出乘提供科學依據，確保行車安全。此外，本系統還可以和乘務員年度體檢報告狀態相結合，做到有效的日常跟蹤和分析，隨時提供個人身體異常變化情況[2]。為此，我們結合了國內外先進的健康管理技術，并根據乘務員相關管理要求，研發了乘務員智能安全健康管理系統。

2 系統設計總方案

2.1 設計目標

本文對乘務員睡眠質量監測管理系統進行了設計。通過運用特殊生理信息分離技術，以MEMS 空氣壓力傳感器技術為基礎，在不產生任何干擾的情況下，對乘務員在公寓內正常休息過程中在床時間和睡眠情況進行實時監測，監理臨床醫學測試專業評判機制，做出睡眠質量評分報告，并以此優化現階段乘務員的公寓查寓機制，為提供更科學的乘務員備班制度管理提供有力支撐[3]。

2.2 設計功能需求

系統設計主要功能包括如下：

2.2.1 監測睡眠狀態，及時預警提醒。對乘務員的出入公寓休息、上下床的時間以及離床時間、次數和睡眠時長等多類信息進行全程監測記錄，及時發現并做出預警，例如違規行為和睡眠時間不足等，使管理工作者可以及時發現并糾正問題。

2.2.2 評估睡眠質量、輔助出勤決策，并根據優、良、差不同睡眠狀態評價，向出勤值班人員傳輸結果，以作為判斷乘務員是否可以正常出乘的關鍵判定標準之一[4]。

2.2.3 遠程實時監控強大管理功能。該系統基于C/S 和B/S 架構共存，管理者可以通過登錄瀏覽器Web 客戶端，統一管理并查看公寓的床位情況、人員狀況、歷史睡眠數據以及背板管理等相關信息，便于統一管理。

2.3 系統設計構架

在設計鐵路乘務員睡眠監測管理系統時，需要采集乘務員的睡眠休息生理參數分析數據，以低負荷、無干擾為主要特點，輔助公寓設計端與網頁端，其中包括檢索、統計、管理等功能。主要實現對乘務員睡眠狀態數據的實時采集和分析，同時與系統的數據傳輸流程與整體功能設計需求結合，做好總設計方案構架[5]。該系統平臺采用了AD 芯片和單片機硬件設備，保證了系統具有生理數據采集、模擬信號和轉換數據信號以及串口發送等多功能；數據處理硬件裝置應用了S3C2440 芯片，能夠提取乘務員信號濾波特征，傳輸最終結果；公寓端軟件能夠分析所得數據，并運用睡眠分期算法獲得乘務員的睡眠情況；數據服務器能夠存儲相關數據，并通過網頁端調用數據庫相關數據，實現遠程數據查詢檢索。

3 系統硬件設計

3.1 硬件設計方案

結合上文分析該平臺設計的功能需求，選用單片機系統、ARM 嵌入式系統硬件平臺。

3.2 床毯式信息采集裝置

在本次系統傳感器電路設計中，決定采用同軸設計，在層與層之間應用絕緣材料，同時環繞電纜為圓環形狀，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微小人體動作的測量，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處理型號，不僅能夠實現多資源系統的有效集成，還可以充分減少元器件數目及電路面積，有效降低系統成本提高信息處理工作效率。

3.3 床旁信息分析裝置

本次系統設計中采用了ARM 處理器為核心的嵌入式系統，其FLASH 存儲器能夠在不需要電流供應設計中長久保持數據，在開機之前也無須重新載入。如今市場中主要應用的閃存硬件技術包括了NOR 和NAND，它們能夠聯合S3C2440 芯片，選擇技術特點符合設計需求的FLASH 技術[6]。該平臺的應用場景能夠融入管理大數據平臺，提供有效的實時監測分析及針對性建議，在列車安全管理的同時保證機車的運行安全、質量安全、顯示終端和機車數據下載，且在乘務員狀態監測管理中可以做到睡眠監測、健康管理、視頻監控、值乘狀態[7]。

4 系統軟件設計

本系統的設計采用了上層應用程序，以跨平臺軟件Qt 為開發工具，其主要包括了對監測數據的接收、處理、整合及發送功能。數據處理模塊能夠提取乘務員的睡眠相關數據和生命體征參數，并以此作為監測管理的基礎數據。圖1 為該平臺的固定端功能。

圖1 平臺固定端功能

4.1 數據采集功能模塊

在乘務員睡眠質量監測管理系統的實時數據采集子功能模塊設計中，可以通過單片機連接傳感器接收測量的睡眠質量數字信號，并將其作為設備數據采集圖，啟動時序成功發送指令，并根據結果進行轉換，直至完成數據接收和校驗。

4.2 中斷功能子模塊

設計T0 中斷子程序作為設計的單片機5s 是1 次間隔的最低優先級，但同時不可忽略這個子程序的設計重要性。在響應系統中斷信號時，單片機應當采集睡眠質量測量數據，數字濾波并對數字信號是否超出限制進行判斷，然后轉換標度處理，顯示測量轉換所得睡眠質量數值。相較原本設定數值，控制濾波算法程序能夠完成控制信號并實時輸出。在設計T1 中斷子程序時，在T0 中斷嵌套T1 定時中斷，T1 較T0 優先級更高；對T1 定時中斷的數值設定，根據濾波算法計算所得；T1 的響應中斷時間可作用于系統睡眠質量監控的輸出信號控制。

4.3 分析控制模塊

在本次設計乘務員睡眠質量監測管理系統中，設定的系統運算為常用PID 數字控制，同時與該系統特性結合改進該算法，最終確定為濾波算法和生命特征波提取算法的結合應用，并形成了本次監測管理平臺設計中的自動識別算法。其不僅能夠有效減少系統超調量，還能夠克服算法運算過程中的積分飽和問題，很大程度提升系統設備睡眠質量、采集輸出信號的控制精度。

5 成果應用情況及技術展望

如今在朔黃鐵路應用乘務員睡眠質量監測管理系統，成功彌補了視頻、警惕按鈕常規設備盲點，同時還能夠對列車乘務員的個人狀態進行在線提醒。經4G 無線傳輸功能可以做到計算機終端控制平臺、集中顯示報警信息、關注乘務員的執乘情況。在乘務員執乘情況不佳時，值班管理人員需要在必要時采用及時干預措施。列車鐵路乘務員的睡眠預警監測管理系統，極大改善了乘務員公寓的環境和設施，且嚴把計劃關和叫班關，做到精準叫班，另外還最大限度地保證了乘務員入寓休息時間，擁有較好的適用性、先進性，獲得了朔黃鐵路單位的使用好評，在列車交通中擁有良好推廣及應用價值。

目前該乘務員睡眠質量監測管理系統平臺已經形成相對完善的管理體系。由出勤至退勤的整個過程中，都應當設計相應系統，以此保障列車的行車安全。所以，在未來平臺升級優化的發展方向中，可以引入大數據平臺在海量數據分析中掌握乘務員的入睡時長、心率、呼吸相關信息，并查找乘務員在備班中睡眠狀況不足的主要原因，真正為乘務員的身體狀態提供良好的數據支撐；同時，創建乘務員醫療介入，提供EAP 服務（朔黃鐵路機輛分公司的員工關愛計劃）。

6 結語

綜上所述，通過在朔黃鐵路中構建乘務員睡眠監測系統，并對每日系統監測乘務員的睡眠質量報告情況進行統計分析，及時對系統中各備班室乘務員的隨眠情況進行通報，能夠方便各單位及時掌握乘務員在執乘時的精神狀況，滿足乘務員的個人安全健康狀態監測預警需求，有效保障了朔黃鐵路列車的行車安全。