一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及人因工程技术领域，尤其涉及一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，至少包括控制器及心电采集模块，通过心电采集模块采集操作人员的心电信号，并将心电信号输出至控制器，使得控制器能够根据心电信号反映的心率特征对操作人员的认知状态进行评估，并根据评估结果辅助操作人员决定是否人控转机控；以及一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，应用于如上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，根据心电信号反映的心率特征对操作人员的认知状态进行评估，并根据评估结果辅助操作人员决定是否人控转机控，能够有效降低人因失误发生概率，提高系统的人因可靠性和安全性水平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人因工程
，尤其涉及一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统及方法。
技术介绍
人工控制(以人为主导的复杂人机系统控制方式，简称人控)和机器控制(又称为自动控制，是以机器为主导的复杂人机系统自动控制方式，简称机控)相结合逐渐成为复杂人机系统控制方式的主要形式。如大规模自动化生产工业系统控制、核电站应急操作控制、民航或军用航空飞行器飞行控制等，既有人控，又有机控，它们都充分发挥了操作员和机器系统自身的各自优势，提高了复杂人机系统整体的安全性水平。人控和机控相结合的控制方式在任务进程的不同阶段，需要面向具体任务情境科学选择控制方式，以保证任务成功和系统可靠。当前，主要依靠操作人员自身决策的方式实现。但该方法存在着较大的人因失误风险，特别是在紧急或复杂的任务情境下，操作员处于高度紧张、认知能力较弱的状态，只能进行有限的计划或期望性判断，每个下一步动作的选择主要依赖于对任务情境突出特征的感知或经验，使得人因失误概率大大上升。Hankins T.C.,Wilson G.F.,Aviation,等人在《Space,and Environmental Medicine》发表的论文“A comparison of heart rate,eye activity,EEG and subjective measures of pilot mental workload during flight”中指出心率对于飞行员飞行过程中的认知能力需求变化是敏感的：在飞机起飞和着陆阶段，飞行员心率显著升高；而在自动飞行控制阶段，飞行员心率处于中间水平。骆巧珍在译著《铁道总研报告》(日本)中发现当驾驶员心率增长率大于20％时，驾驶员感到紧张；心率增长率大于30％时，驾驶员心理紧张程度增加，易发生交通事故；心率增长率大于40％时，驾驶员心理极度紧张，在交通环境中应避免此情况的发生。李鸣皋，张佳丽，蒙果，李靖等人在《航天医学与医学工程》发表的论文“不同模拟飞行训练科目飞行员心率和心率变异性的变化”中针对中国人群的模拟飞行训练研究发现训练中被试的心率较安静状态显著升高，并认为这是由于被试的认知负荷提升或心理疲劳发生下出现的生理应激反应。综合已报道相关文献分析，在认知超负荷或处于精神疲劳时，人体心率HR指标将显著升高，且在不同情境(如不同任务、不同人群等)的认知负荷研究中具有普遍性，因此将人体心率HR用于紧急或复杂的任务情境下操作人员认知状态评估具有技术可行性。同时，将该技术应用于复杂人机系统人控转机控过程尚未见相关报道。
技术实现思路
针对目前上述存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，应用于对操作人员的认知状态进行评估以辅助所述操作人员决定是否人控转机控，其中，所述系统包括：心电采集模块，实时采集操作员的心电信号，并将所述心电信号输出；控制器，与所述心电采集模块连接，以接收并分析所述心电信号，以根据所述心电信号反映的心率特征对所述操作人员的认知状态进行评估，并根据评估结果辅助所述操作人员决定是否人控转机控。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，其中，所述心电采集模块包括脉搏传感器，且所述脉搏传感器与所述控制器连接，以将实时采集的所述心电信号输送至所述控制器。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，其中，所述控制器根据对所述操作人员的认知状态评估结果产生显示数据，所述系统还包括：显示模块，与所述控制器连接，以接收并根据所述显示数据执行显示任务，进而显示提醒所述操作人员决定是否人控转机控。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，其中，所述控制器根据对所述操作人员的认知状态的评估结果产生蜂鸣指令，所述系统还包括：蜂鸣器，与所述控制器连接，以接收并根据所述蜂鸣指令执行蜂鸣任务，进而蜂鸣提醒所述操作人员决定是否人控转机控。一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，应用于如上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，所述方法包括：步骤1：操作人员开始进行人控操作；步骤2：通过心电采集模块采集所述操作人员的心电信号h(i)i≥1并由控制器进行处理，以提取所述操作人员的心率特征；步骤3：根据所述心率特征对所述操作人员的认知状态进行评估，并根据所述操作人员的认知状态的评估结果辅助所述操作人员决定是否人控转机控。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其中，所述心率特征包括实时心率增长率，所述步骤2包括：在步骤1中的所述人控操作开始前，通过所述心电采集模块采集所述操作人员的的初始心电信号h0(i)i≥1，对所述初始心电信号滤波后应用主信号频率确定方法进行离散时间傅里叶变换，得到所述操作人员的初始心率f0,h；在步骤1中的所述人控操作开始后，通过所述心电采集模块采集并存储操作员的实时心电信号hn(i)i≥1，并对所述实时心电信号进行分段处理得到分段的心电信号序列hn；n≥1且为整数，对所述分段的心电信号序列hn进行滤波后通过主信号频率确定方法得到所述操作人员的实时心率fn,h；计算所述操作人员的实时心率增长率In,h，所述上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其中，所述步骤3还包括：判断所述实时心率增长率是否满足条件In,h≥30％及In+2,h≥In+1,h≥In,h，其中n≥1；若满足则将所述操作人员的认知状态的评定结果G设定为未知，并辅助所述操作人员决定是否人控转机控；若不满足则将所述操作人员的认知状态的评定结果G设定为G＝0，并且不辅助操作人员决定是否人控转机控。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其中，所述心率特征还包括实时心率变化率，所述步骤2还包括：计算所述操作人员的心率fn,h的实时心率变化率Cn,h，所述上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其中，辅助所述操作人员决定是否人控转机控的警示等级包括第一警示等级和第二警示等级，所述步骤3还包括：当所述认知状态的评定结果G为未知时，进一步判断所述实时心率增长率是否满足条件Cn,h≤5％及Cn+2,h≤Cn+1,h≤Cn,h，其中n≥1；若满足则将所述操作人员的认知状态的评定结果G设定为G＝2，并以所述第一警示等级辅助所述操作人员决定是否人控转机控；若不满足则将所述操作人员的认知状态G评定为G＝1，并以所述第二警示等级辅助所述操作人员决定是否人控转机控。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其中，所述第一警示等级下通过显示模块显示和蜂鸣器鸣响同时警示所述操作人员；所述第二警示等级下只通过所述显示模块显示警示所述操作人员。上述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其中，所述显示模块的警示内容为“建议人控转机控”。本专利技术的有益效果：(1)应用人体心电信号特征变化评估操作人员在人控任务中的认知状态实时、动态变化情况，客观性好、对主任务侵入性低；(2)基于操作人员在人控任务中是否处于情绪激动或精神高度紧张状态的判断，辅助进行人控转机控，能够有效降低人因失误发生概率，提高系统的人因可靠性和安全性水平；(3)本专利技术与控制对象人机系统相对独立，可移植性好。附图说明图1为本专利技术基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统的系统框图；图2为本专利技术基于人体心电信号的人控转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，应用于对操作人员的认知状态进行评估以辅助所述操作人员决定是否人控转机控，其特征在于，所述系统包括：心电采集模块，实时采集操作员的心电信号，并将所述心电信号输出；控制器，与所述心电采集模块连接，以接收并分析所述心电信号，以根据所述心电信号反映的心率特征对所述操作人员的认知状态进行评估，并根据评估结果辅助所述操作人员决定是否人控转机控。

【技术特征摘要】
1.一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，应用于对操作人员的认知状态进行评估以辅助所述操作人员决定是否人控转机控，其特征在于，所述系统包括：心电采集模块，实时采集操作员的心电信号，并将所述心电信号输出；控制器，与所述心电采集模块连接，以接收并分析所述心电信号，以根据所述心电信号反映的心率特征对所述操作人员的认知状态进行评估，并根据评估结果辅助所述操作人员决定是否人控转机控。2.根据权利要求1所述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，其特征在于，所述心电采集模块包括脉搏传感器，且所述脉搏传感器与所述控制器连接，以将实时采集的所述心电信号输送至所述控制器。3.根据权利要求1所述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，其特征在于，所述控制器根据对所述操作人员的认知状态评估结果产生显示数据，所述系统还包括：显示模块，与所述控制器连接，以接收并根据所述显示数据执行显示任务，进而显示提醒所述操作人员决定是否人控转机控。4.根据权利要求1所述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，其特征在于，所述控制器根据对所述操作人员的认知状态的评估结果产生蜂鸣指令，所述系统还包括：蜂鸣器，与所述控制器连接，以接收并根据所述蜂鸣指令执行蜂鸣任务，进而蜂鸣提醒所述操作人员决定是否人控转机控。5.一种基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4所述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策系统，所述方法包括：步骤1：操作人员开始进行人控操作；步骤2：通过心电采集模块采集所述操作人员的心电信号h(i)i≥1并由控制器进行处理，以提取所述操作人员的心率特征；步骤3：根据所述心率特征对所述操作人员的认知状态进行评估，并根据所述操作人员的认知状态的评估结果辅助所述操作人员决定是否人控转机控。6.根据权利要求5所述的基于人体心电信号的人控转机控辅助决策方法，其特征在于，所述心率特征包括实时心率增长率，所述步骤2包括：在步骤1中的所述人控操作开始前，通过所述心电采集模块采集所述操作人员的初始心电信号h0(i)i≥1，对所述初始心电信号滤波后应用主信号频率确定方法进行离散时间傅里...

【专利技术属性】
技术研发人员：王川，李强，黄百乔，张建国，王春慧，李晓军，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军医学研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31