文/宋佳

1 前言

鐵路傳統(tǒng)的乘務員入寓備班制度，需要通過人員現(xiàn)場巡視來掌握乘務員的休息狀態(tài)。但這種制度既不能準確掌握乘務員入寓和休息真實狀態(tài)，乘務員也不能觀察自身的實際健康狀態(tài)，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(yī)用級別生命體征狀態(tài)監(jiān)測終端，搭建一套乘務員睡眠質量監(jiān)測狀態(tài)的監(jiān)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(tǒng)還可以和乘務員年度體檢報告狀態(tài)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(fā)了乘務員智能安全健康管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計總方案

2.1 設計目標

本文對乘務員睡眠質量監(jiān)測管理系統(tǒng)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(jiān)測，監(jiān)理臨床醫(yī)學測試專業(yè)評判機制，做出睡眠質量評分報告，并以此優(yōu)化現(xiàn)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(tǒng)設計主要功能包括如下：

2.2.1 監(jiān)測睡眠狀態(tài)，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(shù)和睡眠時長等多類信息進行全程監(jiān)測記錄，及時發(fā)現(xiàn)并做出預警，例如違規(guī)行為和睡眠時間不足等，使管理工作者可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正問題。

2.2.2 評估睡眠質量、輔助出勤決策，并根據優(yōu)、良、差不同睡眠狀態(tài)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(jiān)控強大管理功能。該系統(tǒng)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(tǒng)一管理并查看公寓的床位情況、人員狀況、歷史睡眠數(shù)據以及背板管理等相關信息，便于統(tǒng)一管理。

2.3 系統(tǒng)設計構架

在設計鐵路乘務員睡眠監(jiān)測管理系統(tǒng)時，需要采集乘務員的睡眠休息生理參數(shù)分析數(shù)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(tǒng)計、管理等功能。主要實現(xiàn)對乘務員睡眠狀態(tài)數(shù)據的實時采集和分析，同時與系統(tǒng)的數(shù)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(tǒng)平臺采用了AD 芯片和單片機硬件設備，保證了系統(tǒng)具有生理數(shù)據采集、模擬信號和轉換數(shù)據信號以及串口發(fā)送等多功能；數(shù)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(shù)據，并運用睡眠分期算法獲得乘務員的睡眠情況；數(shù)據服務器能夠存儲相關數(shù)據，并通過網頁端調用數(shù)據庫相關數(shù)據，實現(xiàn)遠程數(shù)據查詢檢索。

3 系統(tǒng)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(tǒng)、ARM 嵌入式系統(tǒng)硬件平臺。

3.2 床毯式信息采集裝置

在本次系統(tǒng)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(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(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)設計中采用了ARM 處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)，其FLASH 存儲器能夠在不需要電流供應設計中長久保持數(shù)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(lián)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(shù)據平臺，提供有效的實時監(jiān)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(shù)據下載，且在乘務員狀態(tài)監(jiān)測管理中可以做到睡眠監(jiān)測、健康管理、視頻監(jiān)控、值乘狀態(tài)[7]。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的設計采用了上層應用程序，以跨平臺軟件Qt 為開發(fā)工具，其主要包括了對監(jiān)測數(shù)據的接收、處理、整合及發(fā)送功能。數(shù)據處理模塊能夠提取乘務員的睡眠相關數(shù)據和生命體征參數(shù)，并以此作為監(jiān)測管理的基礎數(shù)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(shù)據采集功能模塊

在乘務員睡眠質量監(jiān)測管理系統(tǒng)的實時數(shù)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(shù)字信號，并將其作為設備數(shù)據采集圖，啟動時序成功發(fā)送指令，并根據結果進行轉換，直至完成數(shù)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(yōu)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(tǒng)中斷信號時，單片機應當采集睡眠質量測量數(shù)據，數(shù)字濾波并對數(shù)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(shù)值。相較原本設定數(shù)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(yōu)先級更高；對T1 定時中斷的數(shù)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(tǒng)睡眠質量監(jiān)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(jiān)測管理系統(tǒng)中，設定的系統(tǒng)運算為常用PID 數(shù)字控制，同時與該系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測管理系統(tǒng)，成功彌補了視頻、警惕按鈕常規(guī)設備盲點，同時還能夠對列車乘務員的個人狀態(tài)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(zhí)乘情況。在乘務員執(zhí)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(jiān)測管理系統(tǒng)，極大改善了乘務員公寓的環(huán)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(jiān)測管理系統(tǒng)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(tǒng)，以此保障列車的行車安全。所以，在未來平臺升級優(yōu)化的發(fā)展方向中，可以引入大數(shù)據平臺在海量數(shù)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(tài)提供良好的數(shù)據支撐；同時，創(chuàng)建乘務員醫(yī)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(jiān)測系統(tǒng)，并對每日系統(tǒng)監(jiān)測乘務員的睡眠質量報告情況進行統(tǒng)計分析，及時對系統(tǒng)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(zhí)乘時的精神狀況，滿足乘務員的個人安全健康狀態(tài)監(jiān)測預警需求，有效保障了朔黃鐵路列車的行車安全。