浅谈乘务员睡眠监测系统在朔黄铁路的应用

文/宋佳

1 前言

铁路传统的乘务员入寓备班制度，需要通过人员现场巡视来掌握乘务员的休息状态。但这种制度既不能准确掌握乘务员入寓和休息真实状态，乘务员也不能观察自身的实际健康状态，浪费了大量的人力物力[1]。本项目的目的就是利用既有的有线和无线网络，通过在公寓床位安装医用级别生命体征状态监测终端，搭建一套乘务员睡眠质量监测状态的监控和管理平台，以此为调度人员对乘务员的出乘提供科学依据，确保行车安全。此外，本系统还可以和乘务员年度体检报告状态相结合，做到有效的日常跟踪和分析，随时提供个人身体异常变化情况[2]。为此，我们结合了国内外先进的健康管理技术，并根据乘务员相关管理要求，研发了乘务员智能安全健康管理系统。

2 系统设计总方案

2.1 设计目标

本文对乘务员睡眠质量监测管理系统进行了设计。通过运用特殊生理信息分离技术，以MEMS 空气压力传感器技术为基础，在不产生任何干扰的情况下，对乘务员在公寓内正常休息过程中在床时间和睡眠情况进行实时监测，监理临床医学测试专业评判机制，做出睡眠质量评分报告，并以此优化现阶段乘务员的公寓查寓机制，为提供更科学的乘务员备班制度管理提供有力支撑[3]。

2.2 设计功能需求

系统设计主要功能包括如下：

2.2.1 监测睡眠状态，及时预警提醒。对乘务员的出入公寓休息、上下床的时间以及离床时间、次数和睡眠时长等多类信息进行全程监测记录，及时发现并做出预警，例如违规行为和睡眠时间不足等，使管理工作者可以及时发现并纠正问题。

2.2.2 评估睡眠质量、辅助出勤决策，并根据优、良、差不同睡眠状态评价，向出勤值班人员传输结果，以作为判断乘务员是否可以正常出乘的关键判定标准之一[4]。

2.2.3 远程实时监控强大管理功能。该系统基于C/S 和B/S 架构共存，管理者可以通过登录浏览器Web 客户端，统一管理并查看公寓的床位情况、人员状况、历史睡眠数据以及背板管理等相关信息，便于统一管理。

2.3 系统设计构架

在设计铁路乘务员睡眠监测管理系统时，需要采集乘务员的睡眠休息生理参数分析数据，以低负荷、无干扰为主要特点，辅助公寓设计端与网页端，其中包括检索、统计、管理等功能。主要实现对乘务员睡眠状态数据的实时采集和分析，同时与系统的数据传输流程与整体功能设计需求结合，做好总设计方案构架[5]。该系统平台采用了AD 芯片和单片机硬件设备，保证了系统具有生理数据采集、模拟信号和转换数据信号以及串口发送等多功能；数据处理硬件装置应用了S3C2440 芯片，能够提取乘务员信号滤波特征，传输最终结果；公寓端软件能够分析所得数据，并运用睡眠分期算法获得乘务员的睡眠情况；数据服务器能够存储相关数据，并通过网页端调用数据库相关数据，实现远程数据查询检索。

3 系统硬件设计

3.1 硬件设计方案

结合上文分析该平台设计的功能需求，选用单片机系统、ARM 嵌入式系统硬件平台。

3.2 床毯式信息采集装置

在本次系统传感器电路设计中，决定采用同轴设计，在层与层之间应用绝缘材料，同时环绕电缆为圆环形状，以此不仅能够有效确保人体在床垫上良好接触电缆，还能够在人体呼吸、脉搏不影响前提下完成对微小人体动作的测量，具备较高灵敏性和抗干扰性[5]。采用单片封装式微控制器单片机处理型号，不仅能够实现多资源系统的有效集成，还可以充分减少元器件数目及电路面积，有效降低系统成本提高信息处理工作效率。

3.3 床旁信息分析装置

本次系统设计中采用了ARM 处理器为核心的嵌入式系统，其FLASH 存储器能够在不需要电流供应设计中长久保持数据，在开机之前也无须重新载入。如今市场中主要应用的闪存硬件技术包括了NOR 和NAND，它们能够联合S3C2440 芯片，选择技术特点符合设计需求的FLASH 技术[6]。该平台的应用场景能够融入管理大数据平台，提供有效的实时监测分析及针对性建议，在列车安全管理的同时保证机车的运行安全、质量安全、显示终端和机车数据下载，且在乘务员状态监测管理中可以做到睡眠监测、健康管理、视频监控、值乘状态[7]。

4 系统软件设计

本系统的设计采用了上层应用程序，以跨平台软件Qt 为开发工具，其主要包括了对监测数据的接收、处理、整合及发送功能。数据处理模块能够提取乘务员的睡眠相关数据和生命体征参数，并以此作为监测管理的基础数据。图1 为该平台的固定端功能。

图1 平台固定端功能

4.1 数据采集功能模块

在乘务员睡眠质量监测管理系统的实时数据采集子功能模块设计中，可以通过单片机连接传感器接收测量的睡眠质量数字信号，并将其作为设备数据采集图，启动时序成功发送指令，并根据结果进行转换，直至完成数据接收和校验。

4.2 中断功能子模块

设计T0 中断子程序作为设计的单片机5s 是1 次间隔的最低优先级，但同时不可忽略这个子程序的设计重要性。在响应系统中断信号时，单片机应当采集睡眠质量测量数据，数字滤波并对数字信号是否超出限制进行判断，然后转换标度处理，显示测量转换所得睡眠质量数值。相较原本设定数值，控制滤波算法程序能够完成控制信号并实时输出。在设计T1 中断子程序时，在T0 中断嵌套T1 定时中断，T1 较T0 优先级更高；对T1 定时中断的数值设定，根据滤波算法计算所得；T1 的响应中断时间可作用于系统睡眠质量监控的输出信号控制。

4.3 分析控制模块

在本次设计乘务员睡眠质量监测管理系统中，设定的系统运算为常用PID 数字控制，同时与该系统特性结合改进该算法，最终确定为滤波算法和生命特征波提取算法的结合应用，并形成了本次监测管理平台设计中的自动识别算法。其不仅能够有效减少系统超调量，还能够克服算法运算过程中的积分饱和问题，很大程度提升系统设备睡眠质量、采集输出信号的控制精度。

5 成果应用情况及技术展望

如今在朔黄铁路应用乘务员睡眠质量监测管理系统，成功弥补了视频、警惕按钮常规设备盲点，同时还能够对列车乘务员的个人状态进行在线提醒。经4G 无线传输功能可以做到计算机终端控制平台、集中显示报警信息、关注乘务员的执乘情况。在乘务员执乘情况不佳时，值班管理人员需要在必要时采用及时干预措施。列车铁路乘务员的睡眠预警监测管理系统，极大改善了乘务员公寓的环境和设施，且严把计划关和叫班关，做到精准叫班，另外还最大限度地保证了乘务员入寓休息时间，拥有较好的适用性、先进性，获得了朔黄铁路单位的使用好评，在列车交通中拥有良好推广及应用价值。

目前该乘务员睡眠质量监测管理系统平台已经形成相对完善的管理体系。由出勤至退勤的整个过程中，都应当设计相应系统，以此保障列车的行车安全。所以，在未来平台升级优化的发展方向中，可以引入大数据平台在海量数据分析中掌握乘务员的入睡时长、心率、呼吸相关信息，并查找乘务员在备班中睡眠状况不足的主要原因，真正为乘务员的身体状态提供良好的数据支撑；同时，创建乘务员医疗介入，提供EAP 服务（朔黄铁路机辆分公司的员工关爱计划）。

6 结语

综上所述，通过在朔黄铁路中构建乘务员睡眠监测系统，并对每日系统监测乘务员的睡眠质量报告情况进行统计分析，及时对系统中各备班室乘务员的随眠情况进行通报，能够方便各单位及时掌握乘务员在执乘时的精神状况，满足乘务员的个人安全健康状态监测预警需求，有效保障了朔黄铁路列车的行车安全。