一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法及系统

技术领域

本发明涉及核电厂主控室人因工程技术领域，尤其涉及一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法及系统。

背景技术

核电被称为复杂社会技术系统，包括技术设备、人的群体和组织三类元素的大型经济实体。安全是核电存在和发展的基础，一旦发生事故，不但造成重大的人员和经济损失，也会产生超出自身范围的巨大社会负面影响。对于自然灾害导致的核事故，人因失误导致的核事故是可以避免的。据统计，50%以上的核电失误是由人因失误导致的。这些人因失误来源包括个人生理状况、工作条件的情景因素和人机交互等要素，一方面需要优化工作环境和任务分配来减少人因失误出现的可能性，另一方面可以通过监控人的精神疲劳状态来合理安排工作时间，确保操纵员工作时的状态。

现有的人员疲劳检测方式主要有：

1）主观报告

主观上通过报告感觉到疲惫，缺乏动机和警觉性推测精神疲劳程度，这是最为常用的一种疲劳测量方式，但主观报告法需要打断操纵员当前的任务状态进行评估，做不到实时的状态监控，且是一种主观的自我评价法。

2）行为绩效

行为绩效的疲劳测量方式则是从操纵员当前操作表现判断疲劳状况，疲劳状态的出现导致绩效表现的下降，但是这种方法却用绩效表现的下降来推断之前的疲劳状态，做不到预警的效果。

3）生理指标的变化

生理信号是疲劳状态快速和直接的反应结果，大量的研究利用生理参数来对疲劳程度进行测量，现市面上已有大量便携式生理测量设备的出现，需研究生理参数采集的便利性和数据精确性之间的权衡。

例如应用于汽车驾驶的疲劳监测技术，通过在驾驶员正前方安装图像传感器采集驾驶员面部特征和肢体图像，识别闭眼、打哈欠、离岗、打手机等，推断驾驶员精神状态，识别疲劳时进行提醒。

但核电厂主控室操纵员工作特征与相关技术有明显差异，如操纵员长时间紧张监视核电厂机组状态，精神长时间高度紧张；及时关注响应机组各项参数变化和预判机组总体状态趋势，需积极开展各种思维活动；并及时且准确完成各种任务，确保不引发严重后果。相关技术适用于社会大众完成特定任务场景，不能匹配核电厂主控室操纵员工作特征，例如汽车驾驶仅需专心驾驶和预判路况等，故汽车疲劳驾驶监测系统采集分析驾驶员面部生理特征，如闭眼、打哈欠、离岗、打手机等。

且，核电厂主控室工作站采用多屏幕，工作中操纵员会随时切换到不同屏幕，相关技术不具备这种工作人员面部朝向随时变化的生理参数采集功能。

另外，相关技术并不具备实时的操纵员疲劳监测预警机制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述背景技术中提及的相关技术存在的至少一个缺陷：相关技术适用于社会大众完成特定任务场景，不能匹配核电厂主控室操纵员工作特征；以及相关技术并不具备实时的操纵员疲劳监测预警机制，提供一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法，包括以下步骤：

S1、选取个性化的操纵员疲劳监测策略；

S2、获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合；

S3、根据所述操纵员疲劳监测策略和所述疲劳监测生理参数组合，计算操纵员的疲劳值；

S4、根据预设的预警规则，对所述操纵员的疲劳值及所述疲劳监测生理参数组合进行预警判断，若符合所述预警规则，则进行预警。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，步骤S1包括：

根据每个操纵员对疲劳感知程度的不同，确定每个操纵员各所述疲劳监测生理参数的权重；

根据各所述疲劳监测生理参数及其所述权重，确定每个操纵员疲劳值的计算方式。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，所述每个操纵员疲劳值的计算方式包括：

对各所述疲劳监测生理参数进行标准化处理，得到标准化后的变量；

将每个所述变量与其对应的所述权重进行乘积后再求和，得到每个操纵员的所述疲劳值。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，所述符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合包括眼睑闭合率、血压和心率。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，步骤S2包括：

S21、获取主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵所采集到的所述疲劳监测生理参数组合。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，步骤S21包括：

根据主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵的摄像头数据来实时识别操纵员正面面对的屏幕；

获取操纵员正面面对的屏幕上布置摄像头矩阵所采集到的所述疲劳监测生理参数组合。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，还包括以下步骤：

S5、根据预警的所述操纵员的疲劳值和/或所述疲劳监测生理参数，结合时间和操纵员姓名生成疲劳日志。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，还包括以下步骤：

S6、根据监测人员输入的复位指令，对所有预警进行复位。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测方法中，还包括以下步骤：

S7、获取操纵员的实时头像并进行显示，供监测人员判断操纵员的精神状态以实现辅助预警。

本发明还构造了一种核电厂主控室操纵员疲劳监测系统，包括：

选取模块，用于选取个性化的操纵员疲劳监测策略；

获取模块，用于获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合；

计算模块，用于根据所述操纵员疲劳监测策略和所述疲劳监测生理参数组合，计算操纵员的疲劳值；

预警模块，用于根据预设的预警规则，对所述操纵员的疲劳值及所述疲劳监测生理参数组合进行预警判断，若符合所述预警规则，则进行预警。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，所述选取模块包括：

第一确定单元，用于根据每个操纵员对疲劳感知程度的不同，确定每个操纵员各所述疲劳监测生理参数的权重；

第二确定单元，用于根据各所述疲劳监测生理参数及其所述权重，确定每个操纵员疲劳值的计算方式。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，所述每个操纵员疲劳值的计算方式包括：

对各所述疲劳监测生理参数进行标准化处理，得到标准化后的变量；

将每个所述变量与其对应的所述权重进行乘积后再求和，得到每个操纵员的所述疲劳值。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，所述符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合包括眼睑闭合率、血压和心率。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，所述获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合，包括：

获取主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵所采集到的所述疲劳监测生理参数组合。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，所述获取模块包括：

识别单元，用于根据主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵的摄像头数据来实时识别操纵员正面面对的屏幕；

获取单元，用于获取操纵员正面面对的屏幕上布置摄像头矩阵所采集到的所述疲劳监测生理参数组合。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，还包括：

疲劳日志生成模块，用于根据预警的所述操纵员的疲劳值和/或所述疲劳监测生理参数，结合时间和操纵员姓名生成疲劳日志。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，还包括：

复位模块，用于根据监测人员输入的复位指令，对所有预警进行复位。

优选地，在本发明所述的核电厂主控室操纵员疲劳监测系统中，还包括：

辅助预警模块，用于获取操纵员的实时头像并进行显示，供监测人员判断操纵员的精神状态以实现辅助预警。

通过实施本发明，具有以下有益效果：

本发明提供了一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法及系统，通过选取个性化的操纵员疲劳监测策略，获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合，不影响操纵员日常工作，然后根据操纵员疲劳监测策略和疲劳监测生理参数组合，计算操纵员的疲劳值，最后根据预设的预警规则，对操纵员的疲劳值及疲劳监测生理参数组合进行预警判断，若符合预警规则，则进行预警，从而便于管理人员进行疲劳干预，如个人提醒、人员替换等。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明核电厂主控室操纵员疲劳监测方法的流程图；

图2是本发明核电厂主控室操纵员疲劳监测方法步骤S1的流程图；

图3是主控室工作站多屏幕示意图；

图4是本发明核电厂主控室操纵员疲劳监测方法步骤S21的流程图；

图5是主控室操纵员疲劳监测系统画面示意图；

图6是疲劳日志示意图；

图7是本发明核电厂主控室操纵员疲劳监测系统的模块框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

需要说明的是，附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

如图1所示，本发明的一个实施例公开了一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法，包括以下步骤：

S1、选取个性化的操纵员疲劳监测策略。

S2、获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合。

S3、根据操纵员疲劳监测策略和疲劳监测生理参数组合，计算操纵员的疲劳值。

S4、根据预设的预警规则，对操纵员的疲劳值及疲劳监测生理参数组合进行预警判断，若符合预警规则，则进行预警。

具体地，符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合，相关考虑如下：

1）主控室操纵员日常工作因涉及核安全，需长时间承受精神压力；

2）主控室操纵员长时间紧张监视核电厂机组状态，且能够及时识别机组状态细微变化；

3）主控室操纵员在高度压力下及时准确处理各种任务；

4）生理参数易于监测，不影响主控室操纵员日常工作，且不会带来不适感。

因此，符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合包括眼睑闭合率、血压和心率。优选地，选用眼睑闭合率为主参数，同时附加血压和心率为次参数。眼睑闭合率是指在单位时间内眼睛闭合程度超过某一阈限（50%、70%或 80%）的百分比，本发明选用80%。高血压的诊断标准是收缩压>=140mmHg和/或舒张压>=90mmHg。成人正常心率为60~100次/分钟。在其他一些实施例中，符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合还可包括肌力、肌肉硬度、肌电图、脑电图和心电图。

本实施例中，如图2所示，步骤S1包括：

S11、根据每个操纵员对疲劳感知程度的不同，确定每个操纵员各疲劳监测生理参数的权重。例如，眼睑闭合率、血压和心率的权重分别为因子1、因子2和因子3。

S12、根据各疲劳监测生理参数及其权重，确定每个操纵员疲劳值的计算方式。

进一步地，每个操纵员疲劳值的计算方式包括：

对各疲劳监测生理参数进行标准化处理，得到标准化后的变量。例如，采用归一化方法对眼睑闭合率、血压和心率进行标准化处理，得到标准化后的变量 X1、X2和X3。

将每个变量与其对应的权重进行乘积后再求和，得到每个操纵员的疲劳值，即疲劳值=X1*因子1+X2*因子2+X3*因子3。

本实施例中，如图3所示，步骤S2包括：

S21、获取主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵1所采集到的疲劳监测生理参数组合。其中，摄像头矩阵1是将采集生理参数和实时视频的摄像头和红外摄像头集中布置，不单独分散布置，减少摄像头数量，且共享所有摄像头监测数据，同时非接触式采集三项疲劳监测生理参数，即眼睑闭合率、血压和心率，不影响操纵员日常工作。

进一步地，如图4所示，步骤S21包括：

S211、根据主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵1的摄像头数据来实时识别操纵员正面面对的屏幕。

S212、获取操纵员正面面对的屏幕上布置摄像头矩阵1所采集到的疲劳监测生理参数组合。

具体地，针对主控室操纵员工作站多屏幕布置，操纵员在工作中会随时变化到不同屏幕，在每个屏幕上方布置一个摄像头矩阵1，确保操纵员正面可被某屏幕上方摄像头矩阵1拍摄到。且通过应用多屏幕上方摄像头数据，比对操纵员面部特征，实时识别操纵员正面面对的屏幕，以确保操纵员在不停切换屏幕时，及时获取操纵员正面的面部特征数据，提升数据有效性。

本实施例中，步骤S4中的预警规则包括基于疲劳值实时预警单个操纵员是否处于疲劳状态以及实时预警单个操纵员的每个疲劳监测生理参数。当疲劳值、眼睑闭合率、血压和心率中的至少一个超过各自对应的预警阈值时，便产生预警，如图5所示的“疲劳预警”灯会亮起。具体地，当眼睑闭合率超过80%，或者血压收缩压>=140mmHg和/或舒张压>=90mmHg，或者心率超过100次/分钟时便产生预警。

本实施例中，该方法还包括：

S5、根据预警的操纵员的疲劳值和/或疲劳监测生理参数，结合时间和操纵员姓名生成疲劳日志，如图6所示。

具体地，疲劳日志可显示所有操纵员疲劳日志，可用于总体判断当前班组操纵员疲劳状态。如图5所示的每项操纵员生理指标（疲劳值、眼睑闭合率、血压和心率）显示器可显示实时值，点击该显示器可显示历史数据曲线。优选地，每项操纵员生理指标上方设置小灯，小灯正常时白色，当超过各自对应的预警阈值时，小灯显示红色，提醒该操纵员此项指标超出阈值，点击该小灯，可以复位该灯，重新变为白色。

本实施例中，该方法还包括：

S6：根据监测人员输入的复位指令，对所有预警进行复位。例如，如图5所示的“总复位”按钮，复位所有操纵员生理指标灯和“疲劳预警”灯，避免报警信息长时间出现在监测画面，引发监测人员视觉疲劳，无法及时识别新的疲劳信号。

本实施例中，该方法还包括：

S7：获取操纵员的实时头像并进行显示，即如图5所示的“实时头像视频”，供监测人员判断操纵员的精神状态以实现辅助预警。

如图7所示，本发明的一个实施例公开了一种核电厂主控室操纵员疲劳监测系统，包括：

选取模块，用于选取个性化的操纵员疲劳监测策略；

获取模块，用于获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合；

计算模块，用于根据操纵员疲劳监测策略和疲劳监测生理参数组合，计算操纵员的疲劳值；

预警模块，用于根据预设的预警规则，对操纵员的疲劳值及疲劳监测生理参数组合进行预警判断，若符合预警规则，则进行预警。

具体地，符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合，相关考虑如下：

1）主控室操纵员日常工作因涉及核安全，需长时间承受精神压力；

2）主控室操纵员长时间紧张监视核电厂机组状态，且能够及时识别机组状态细微变化；

3）主控室操纵员在高度压力下及时准确处理各种任务；

4）生理参数易于监测，不影响主控室操纵员日常工作，且不会带来不适感。

因此，符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合包括眼睑闭合率、血压和心率。优选地，选用眼睑闭合率为主参数，同时附加血压和心率为次参数。眼睑闭合率是指在单位时间内眼睛闭合程度超过某一阈限（50%、70%或 80%）的百分比，本发明选用80%。高血压的诊断标准是收缩压>=140mmHg和/或舒张压>=90mmHg。成人正常心率为60~100次/分钟。在其他一些实施例中，符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合还可包括肌力、肌肉硬度、肌电图、脑电图和心电图。

本实施例中，选取模块包括：

第一确定单元，用于根据每个操纵员对疲劳感知程度的不同，确定每个操纵员各疲劳监测生理参数的权重。例如，眼睑闭合率、血压和心率的权重分别为因子1、因子2和因子3。

第二确定单元，用于根据各疲劳监测生理参数及其权重，确定每个操纵员疲劳值的计算方式。

进一步地，每个操纵员疲劳值的计算方式包括：

对各疲劳监测生理参数进行标准化处理，得到标准化后的变量。例如，采用归一化方法对眼睑闭合率、血压和心率进行标准化处理，得到标准化后的变量 X1、X2和X3。

将每个变量与其对应的权重进行乘积后再求和，得到每个操纵员的疲劳值，即疲劳值=X1*因子1+X2*因子2+X3*因子3。

本实施例中，获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合，包括：

获取主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵1所采集到的疲劳监测生理参数组合。其中，摄像头矩阵1是将采集生理参数和实时视频的摄像头和红外摄像头集中布置，不单独分散布置，减少摄像头数量，且共享所有摄像头监测数据，同时非接触式采集三项疲劳监测生理参数，即眼睑闭合率、血压和心率，不影响操纵员日常工作。

进一步地，获取模块包括：

识别单元，用于根据主控室中每个屏幕上布置的摄像头矩阵1的摄像头数据来实时识别操纵员正面面对的屏幕。

获取单元，用于获取操纵员正面面对的屏幕上布置摄像头矩阵1所采集到的疲劳监测生理参数组合。

具体地，针对主控室操纵员工作站多屏幕布置，操纵员在工作中会随时变化到不同屏幕，在每个屏幕上方布置一个摄像头矩阵1，确保操纵员正面可被某屏幕上方摄像头矩阵1拍摄到。且通过应用多屏幕上方摄像头数据，比对操纵员面部特征，实时识别操纵员正面面对的屏幕，以确保操纵员在不停切换屏幕时，及时获取操纵员正面的面部特征数据，提升数据有效性。

本实施例中，预警模块中的预警规则包括基于疲劳值实时预警单个操纵员是否处于疲劳状态以及实时预警单个操纵员的每个疲劳监测生理参数。当疲劳值、眼睑闭合率、血压和心率中的至少一个超过各自对应的预警阈值时，便产生预警，如图5所示的“疲劳预警”灯会亮起。具体地，当眼睑闭合率超过80%，或者血压收缩压>=140mmHg和/或舒张压>=90mmHg，或者心率超过100次/分钟时便产生预警。

本实施例中，该系统还包括：

疲劳日志生成模块，用于根据预警的操纵员的疲劳值和/或疲劳监测生理参数，结合时间和操纵员姓名生成疲劳日志，如图6所示。

具体地，疲劳日志可显示所有操纵员疲劳日志，可用于总体判断当前班组操纵员疲劳状态。如图5所示的每项操纵员生理指标（疲劳值、眼睑闭合率、血压和心率）显示器可显示实时值，点击该显示器可显示历史数据曲线。优选地，每项操纵员生理指标上方设置小灯，小灯正常时白色，当超过各自对应的预警阈值时，小灯显示红色，提醒该操纵员此项指标超出阈值，点击该小灯，可以复位该灯，重新变为白色。

本实施例中，该系统还包括：

复位模块，用于根据监测人员输入的复位指令，对所有预警进行复位。例如，如图5所示的“总复位”按钮，复位所有操纵员生理指标灯和“疲劳预警”灯，避免报警信息长时间出现在监测画面，引发监测人员视觉疲劳，无法及时识别新的疲劳信号。

本实施例中，该系统还包括：

辅助预警模块，用于获取操纵员的实时头像并进行显示，即如图5所示的“实时头像视频”，供监测人员判断操纵员的精神状态以实现辅助预警。

通过实施本发明，具有以下有益效果：

本发明提供了一种核电厂主控室操纵员疲劳监测方法及系统，通过选取个性化的操纵员疲劳监测策略，获取通过非接触式采集到的符合操纵员日常工作特征的疲劳监测生理参数组合，不影响操纵员日常工作，然后根据操纵员疲劳监测策略和疲劳监测生理参数组合，计算操纵员的疲劳值，最后根据预设的预警规则，对操纵员的疲劳值及疲劳监测生理参数组合进行预警判断，若符合预警规则，则进行预警，从而便于管理人员进行疲劳干预，如个人提醒、人员替换等。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述实施例或技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，即“在一些实施例”所描述的实施例可与上下任一实施例进行自由组合；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。