CN105912124A - 一种基于生理信号的人控转机控决策系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人因工程技术领域，尤其涉及一种基于人的生理信号的人控转机控辅助决策系统。包括控制器，以及第一采集模块，采集操作员心电信号，将心电信号的心率增长率与预设的第一心率增长率阈值和其它条件进行比较；第二采集模块，采集操作员的皮肤信号，将人控操作开始之前和人控操作开始之后的皮肤信号进行比较；第三采集模块，采集操作员呼吸信号，将呼吸率增长率与预设的第一呼吸率增长率阈值和其它条件进行比较，由控制器判断操作员的认知状态等级。评估操作员在任务中的认知状态，客观性好；基于操作员在人控任务中是否处于精神高度紧张状态的判断，辅助进行人控转机控，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。

Description

一种基于生理信号的人控转机控决策系统

技术领域

本发明涉及人因工程技术领域，尤其涉及一种基于人的生理信号的人控转机控辅助决策系统。

背景技术

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。

Wastell D.G.和Newman M在《Behaviour and InformationTechnology》上发表的论文“Stress,control and computer system design:a psycho physiological field study”中，提出人体生理信号对于认知状态变化，如负面/正面情绪、关注度以及工作负荷的变化具备敏感特性，可用于系统人机交互事件和用户认知状态的评估和分析。PicardR.W.,Vyzas E.,Healey J等人在《IEEE Transactions on Pattern Analysisand Machine Intelligence》上发表的论文“Toward machine emotionalintelligence:analysis of affective physiological state”中，提出人体生理信号用于认知和情感状态的评估，具有不易受主观调控的影响、实时性号等优点。

基于上述文献分析，将人体生理心电、呼吸及皮肤电信号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。

发明内容

针对目前上述存在的上述问题，本发明提供一种基于生理信号的人控转机控决策系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

一种基于生理信号的人控转机控决策系统，应用于对操作员的认知状态进行评估，包括控制器，分别通讯连接所述控制器的液晶显示模块和蜂鸣器，以及

第一采集模块，实时采集操作员的心电信号，所述控制器将所述心电信号的心率增长率与预设的心率增长率阈值进行比较，并且当前心率增长率不高于相邻的后一个心率增长率，以获得操作员的实时心率特征，并判断操作员的认知状态等级；

第二采集模块，实时采集操作员的皮肤信号，所述控制器将人控操作开始之前与人控操作开始之后的两个皮肤信号的均值之差与预设的第一均值阈值进行比较，并且当前皮肤信号的均值不小于相邻的后一个皮肤信号均值，且当前的皮肤信号以及相邻的下一个皮肤信号的一阶方差绝对值都不高于预设的第一一阶方差绝对值阈值，以获得操作员的实时皮肤特征，并判断操作员的认知状态等级；

第三采集模块，实时采集操作员的呼吸信号，所述控制器将所述呼吸信号的呼吸率增长率与预设的呼吸率增长率阈值进行比较，并且当前的呼吸率增长率不高于相邻的后一个呼吸率增长率，以获得操作员的实时呼吸率特征，并判断操作员的认知状态等级。

优选地，所述第二采集模块采集的皮肤信号，所述控制器将人控操作开始之后与人控操作开始之前的两个皮肤信号的均值之差与预设的第二均值阈值进行比较，并且当前皮肤信号的均值不高于相邻的后一个皮肤信号均值，且当前的皮肤信号以及相邻的下一个皮肤信号的一阶方差绝对值都不高于预设的第二一阶方差绝对值阈值；以获得操作员的实时皮肤特征，并由所述控制器判断操作员的认知状态等级。

优选地，所述第一采集模块包括脉搏传感器，所述脉搏传感器与所述控制器电连接，将采集的所述心电信号传输至所述控制器。

优选地，用腕部束缚带将所述脉搏传感器置于操作员的非利手脉搏处。

优选地，所述第二采集模块包括依次电连接的生物电极、第一放大器和第一AD转换器；所述皮肤信号通过生物电极传输至所述第一放大器进行共模抑制放大，所述第一AD转换器将所述第一放大器传输过来的模拟信号转换成数字信号，并通过串行外设接口传输至所述控制器。

优选地，所述生物电极设置于操作员的非利手掌心的食指、中指的指尖位置或掌心的食指、中指的第二节位置或掌心的鱼际、小鱼际隆凸位置。

优选地，所述第三采集模块包括依次电连接的硅压阻式传感器、第二放大器和第二AD转换器，所述呼吸信号通过所述硅压阻式传感器传输至所述第二放大器进行共模抑制放大，所述第二AD转换器将所述第二放大器传输过来的模拟信号转换成数字信号，并通过串行外设接口传输至所述控制器。

优选地，用胸束缚带将所述硅压阻式传感器置于操作员的胸腔处。

优选地，所述第一放大器设有第一正相输入端和第二正相输入端以及第一输出端和第二输出端，所述生物电极输出的是一组差分式的正相皮肤信号和反相皮肤信号，所述正相皮肤信号传输至所述第一放大器的第一正相输入端，所述反相皮肤信号传输至所述第一放大器的第二正相输入端，

所述第一放大器接有第一电阻和第二电阻，所述第一电阻连接在所述第一放大器的第一输出端和第二输出端之间；所述第二电阻连接在所述第一输出端和第一反相输入端之间；还包括第三电阻，所述第三电阻连接在所述第一输出端和第二输出端之间；所述第二反相输入端连接在所述第一电阻和第三电阻之间；所述第一放大器的放大倍数由(1+2*第二电阻/第一电阻)决定。

优选地，所述第二放大器设有第三正相输入端和第四正相输入端以及第三输出端和第四输出端，所述硅压阻式传感器输出的是一组差分式的正相呼吸信号和反相呼吸信号，所述正相呼吸信号传输至所述第二放大器的第三正相输入端，所述反相呼吸信号传输至所述第二放大器的第四正相输入端，

所述第二放大器接有第四电阻和第五电阻，所述第四电阻连接在所述第二放大器的第三输出端和第四输出端之间；所述第五电阻连接在所述第三输出端和第三反相输入端之间；还包括第六电阻，所述第六电阻连接在所述第三输出端和第四输出端之间；所述第四反相输入端连接在所述第四电阻和第六电阻之间；所述第二放大器的放大倍数由(1+2*第五电阻/第四电阻)决定。

优选地，在人控操作开始前，所述第一采集模块采集并存储操作员的心电信号h₀(i)i≥1，对所述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，得到操作员的心率f_0,h；

在人控操作开始后，所述第一采集模块采集并存储操作员的心电信号h_n(i)i≥1，并对所述心电信号进行分段处理得到分段的心电信号序列h_n,h≥1且为整数，对所述分段的心电信号序列h_n进行滤波后通过主信号频率确定方法得到操作员的心率f_n,h；

计算操作员的心率增长率I_n,h，所述

优选地，在人控操作开始前，所述第二采集模块采集并存储皮肤信号x₀(i)i≥1，对所述皮肤信号进行分段并计算皮肤信号序列的均值M₀和一阶差分绝对值均值S₀；

在人控操作开始后，所述第二采集模块采集并存储皮肤信号x_n(i)i≥1，对所述皮肤信号进行分段得到皮肤信号序列x_n(i),i≥1且为整数，并计算皮肤信号序列均值M_n和一阶差分绝对值均值S_n。

优选地，在人控操作开始前，所述第三采集模块采集并存储操作员的呼吸信号r₀(i)i≥1，对所述呼吸信号r₀(i)i≥1滤波后通过主信号频率确定方法得到操作员的呼吸率f_0,r；

在人控操作开始后，所述第三采集模块采集并存储操作员的呼吸信号r_n(i)i≥1，对所述呼吸信号进行分段得到分段的呼吸信号序列r_n，n≥1且为整数，并对所述呼吸信号序列进行滤波，通过主信号频率确定方法确定操作员的呼吸的心率f_n,r；

计算操作员的呼吸率增长率I_n,r，所述

优选地，所述控制器判断操作员的认知状态等级的方法包括：

判断所述皮肤信号均值M_n以及一阶差分绝对值均值S_n是否满足条件(1)：

M₀-M_n≥3μS且M_n≥M_n+1≥M_n+2且S_n≤ε且S_n+1≤ε且S_n+2≤ε

或者

M_n-M₀≥3μS且M_n≤M_n+1≤M_n+2且S_n≤ε且S_n+1≤ε且S_n+2≤ε

其中，μS为设定的均值阈值，n≥0且为整数,ε为设定一阶差分绝对值均值阈值，ε的取值结合操作员个体差异、人控操作任务综合考虑或者基于实验数据的统计得到；

判断所述心率增长率是否满足条件(2)：

I_n,h≥30％且I_n+2,h≥I_n+1,h≥I_n,h，n≥1

判断所述呼吸率增长率是否满足条件(3)：

I_n,r≥50％且I_n+2,r≥I_n+1,r≥I_n,r，n≥1

若以上3个条件同时满足，则操作员处于高度紧张状态，操作员的认知状态等级G＝3；

如果仅有其中2项条件满足，则操作员处于比较紧张状态，操作员的认知状态等级G＝2；

如果仅有其中1项条件满足，则操作员处于紧张状态，操作员的认知状态等级G＝1；

否则操作员的认知状态等级G＝0。

优选地，若操作员的认知状态等级G＝3，则所述决策系统自动实现人控转机控，且所述蜂鸣器报警；

若操作员的认知状态等级G＝2，则所述液晶显示模块显示“建议人控转机控”，且所述蜂鸣器报警；

若操作员的认知状态等级G＝1，则所述液晶显示模块显示“建议人控转机控”，但所述蜂鸣器不报警；

若操作员的认知状态等级G＝0，则所述液晶显示模块保持原状态不变，且所述蜂鸣器不报警。

本发明的有益效果：

(1)应用基于人体的皮肤信号、心电信号及呼吸信号的特征变化评估操作员在人控任务中的认知状态的实时、动态变化情况，客观性好、对主任务侵入性低；

(2)基于操作员在人控任务中是否处于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)本发明与控制对象人机系统相对独立，可移植性好。

附图说明

图1为本发明的一种基于生理信号的人控转机控决策系统的系统框图；

图2为本发明的一种基于生理信号的人控转机控决策系统的电路原理图；

图3为本发明的一种基于生理信号的人控转机控决策系统的决策流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

首先，结合附图1对一种基于生理信号的人控转机控决策系统的系统框图进行说明：

该基于生理信号的人控转机控决策系统包括控制器，分别通过串行外设接口连接控制器的第一采集模块、第二采集模块和第三采集模块，以及分别电连接控制器的液晶显示模块9和蜂鸣器10。所述的第一采集模块为脉搏信号模块，第二采集模块为皮肤信号模块，第三采集模块为呼吸信号模块。该控制器为单片机1，单片机1采用STC15W4K32S4型号的单片机1。脉搏信号模块包括一个脉搏传感器2，用于实时提取操作员的心电信号，脉搏传感器2采用HK-2000A集成化传感器。皮肤信号模块用于实时提取操作员的皮肤信号，其包括依次电连接的生物电极3、第一放大器4和第一AD转换器5，第一放大器4为前置生物放大器OP4177，对称并联差动放大可以获得极高的输入阻抗和共模抑制比。采用金质电极片作为测量皮肤的生物电极3。第一AD转换器5为AD7674型号的高速AD转换器，采用双极输入，采样频率调节范围在500kS/s～800kS/s，动态范围为103dB。呼吸信号模块用于实时提取操作员的呼吸信号，其包括依次电连接的硅压阻式传感器6、第二放大器7和第二AD转换器8，硅压阻式传感器6为差压型硅压阻式传感器6，第二放大器7也为前置生物放大器OP4177，对称并联差动放大可以获得极高的输入阻抗和共模抑制比；第二AD转换器8为AD7674型号的高速AD转换器，其采样频率调节范围在500kS/s～800kS/s。液晶显示模块9采用低功耗1602字符显示。控制器分别控制脉搏信号模块、皮肤信号模块、呼吸信号模块实时测量心率特征信息、皮肤特征信息和呼吸率特征信息，并根据以上信息进行计算与处理，以综合评估操作员的认知状态，从而确定操作员的认知状态等级，并根据认知状态等级控制系统是否进行人控转机控或者是否启动蜂鸣器10进行报警。

如图2所示的电路原理图，生物电极3的两个输出端口输出的是正相皮肤信号S1+和反相皮肤信号S1-两个差分式的信号，两个输出端分别连接第一放大器4的第一正相输入端+INA1和第二正相输入端+INB1，第一放大器4对输入的皮肤信号进行放大，放大后的皮肤信号通过第一放大器4的第五正相输出端IN1+进行输出并传输至第一AD转换器5的第六正相输入端；第一放大器4的第五反相输出端IN1-输出信号并传输至第一AD转换器5的第六反相输入端。第一AD转换器5对输入的皮肤信号进行高速模数转换，并通过其四个输出端口对应传输至单片机1的四个输入端：CNVST1端口、CS1端口、SDOUT1端口、SCLK1端口，CNVST1端口表示开始转换，CNVST的下降沿使内部采样保持进入保持状态并开始转换；CS1端口用于设置片选端口；SDOUT端口用于转换数据输出位；SCLK1端口用于控制单片机1的时钟频率。对于另一条呼吸信号支路，硅压阻式传感器6的两个输出端口输出的是正相皮肤信号S2+和反相皮肤信号S2-两个差分式的信号，两个输出端分别连接第二放大器7的第三正相输入端+INA2和第四正相输入端+INB2，第二放大器7对输入的呼吸信号进行放大，放大后的呼吸信号通过第二放大器7的第七正相输出端IN2+进行输出并传输至第二AD转换器8的第八正相输入端；第二放大器7的第七反相输出端IN2-输出信号并传输至第二AD转换器8的第八反相输入端。其后面的工作原理和皮肤信号模块的工作原理类似，在此不做赘述。此外，第一放大器4设有第一正相输入端+INA1和第二正相输入端+INB1以及第一输出端OUTA1和第二输出端OUTB1，生物电极3输出的是一组差分式的正相皮肤信号S1+和反相皮肤信号S1-，正相皮肤信号S1+传输至第一放大器4的第一正相输入端+INA1，反相皮肤信号S1-传输至第一放大器4的第二正相输入端+INB1。第一放大器4接有第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1连接在第一放大器4的第一输出端OUTA1和第二输出端OUTB1之间；第二电阻R2连接在第一输出端OUTA1和第一反相输入端-INA1之间；还包括第三电阻R3，第三电阻R3连接在第一输出端OUTA1和第二输出端OUTB1之间；第二反相输入端-INB1连接在第一电阻R1和第三电阻R3之间；第一放大器4的放大倍数由(1+2R2/R1)决定。

第二放大器7设有第三正相输入端+INA2和第四正相输入端+INB2以及第三输出端OUTA2和第四输出端OUTB2，硅压阻式传感器6输出的是一组差分式的正相呼吸信号S2+和反相呼吸信号S2-，正相呼吸信号S2+传输至第二放大器7的第三正相输入端+INA2，反相呼吸信号S2-传输至第二放大器7的第四正相输入端+INB2。第二放大器7接有第四电阻R1'和第五电阻R2'，第四电阻R1'连接在第二放大器7的第三输出端OUTA2和第四输出端OUTB2之间；第五电阻R2'连接在第三输出端OUTA2和第三反相输入端-INA2之间；还包括第六电阻R3'，第六电阻R3'连接在第三输出端OUTA2和第四输出端OUTB2之间；第四反相输入端-INB2连接在第四电阻R1'和第六电阻R3'之间；第二放大器7的放大倍数由(1+2R2'/R1')决定。单片机1把传输过来的信号进行计算与处理后，将计算结果传输并显示至液晶显示模块9上；当计算结果值满足设定条件时，启动蜂鸣器10进行报警。

现结合图3，以某型水下航行器模拟指挥信息系统的控制方式转换操作为例，对基于操作员的皮肤信号、心电信号以及呼吸信号的人控转机控辅助决策方法进行说明。

将本发明的一种基于生理信号的人控转机控决策系统安装在装备模拟指挥信息系统附近合适位置(如控制台)。操作员就位后对决策系统进行连接，将采集皮肤信号的生物电极3安放在操作员的非利手掌心的食指、中指指尖位置或掌心的食指、中指第二节位置或掌心的鱼际、小鱼际隆凸位置，要求连结部位松紧适度。用腕部束缚带将测量心电信号的脉搏传感器2置于操作员的非利手脉搏处。用胸束缚带将测量呼吸信号的硅压阻式传感器6置于操作员的胸腔处，要求连结部位松紧适度。决策系统连接完毕后，开启电源。操作员以人控方式开始进行装备模拟指挥信息系统的操作。本发明的人控转机控系统中具体计算及处理过程如下：

步骤101：操作员皮肤信号x(i)i≥1采集与记录。

在人控操作前，皮肤信号模块实时采集操作员的皮肤信号x(i)i≥1，采集信号频率为f＝10Hz。

步骤102：计算人控前操作员的皮肤信号均值M₀和一阶差分绝对值均值S₀。

对操作员皮肤信号x(i)i≥1进行分段处理，得到分段的皮肤信号序列x_n，设定序列长度L＝600；

x_n＝[x(n*L+1),x(n*L+2),…,x(n*L+L)] (1)

当n＝0时表示人控操作开始前操作员的皮肤信号序列x₀，因此将n＝0带入公式(1)，并计算皮肤信号序列的均值M₀，得到M₀＝6.3μS；

对分段的皮肤信号序列x₀计算一阶差分绝对值均值

$S_n=\frac{\underset{k=1}{\overset{L-1}{\Σ}}|x(n*L+k)-x(n*L+k+1)|}{L-1}---\left(2\right)$

将n＝0带入公式(2)，并计算皮肤信号序列的一阶差分绝对值均值S₀,得到S₀＝0.012μS。

步骤103：对人控后信号分段并计算均值M_n。

在人控操作后，对采集的皮肤信号进行分段处理，得到分段的皮肤信号序列x_n，设定序列长度L＝600，序列长度表示采集时间为1分钟的皮肤信号长度；

x_n＝[x(n*L+1),x(n*L+2),…,x(n*L+L)]n＞0且为整数 (3)

根据公式(3)计算皮肤信号序列的均值M_n，也就是得到[M₁,M₂,…]＝[6.6μS,6.9μS,7.5μS,8.7μS,9.5μS,9.6μS,9.7μS,…]

可以发现，前3分钟(即前3个信号序列)操作员的皮肤信号均值波动幅度不大，其后则出现较大幅度的提高。

步骤104：对人控后信号分段并计算一阶差分绝对值均值S_n。

对分段的皮肤信号序列x_n计算一阶差分绝对值均值

根据公式(4)得到：

[S₁,S₂,…]＝[0.022μS,0.015μS,0.016μS,0.007μS,0.005μS,0.004μS,0.004μS,…]对分段的皮肤信号序列

以上为皮肤特征，可以发现，前3分钟(即前3个信号序列)操作员的皮肤信号一阶差分绝对值均值较大，其代表了操作员皮肤信号较大的波动速率；其后该指标一直保持在较低水平，可解释为操作员的认知状态变化处于不明显的水平。

步骤105：判断操作员皮肤电信号是否满足条件(1):

M₀-M_n≥3μS且M_n≥M_n+1≥M_n+2且S_n≤ε且S_n+1≤ε且S_n+2≤ε

或者

M_n-M₀≥3μS且M_n≤M_n+1≤M_n+2且S_n≤ε且S_n+1≤ε且S_n+2≤ε

也就是人控操作开始之前与人控操作开始之后的两个皮肤信号的均值之差与预设的第一均值阈值3μS进行比较，并且当前皮肤信号的均值M_n不小于相邻的后一个皮肤信号均值M_n+1，且当前的皮肤信号以及相邻的下一个皮肤信号的一阶方差绝对值S_n和S_n+1都不高于预设的第一一阶方差绝对值阈值ε；又或者人控操作开始之后与人控操作开始之前的两个皮肤信号的均值之差与预设的第二均值阈值3μS进行比较，并且当前皮肤信号的均值M_n不高于相邻的后一个皮肤信号均值M_n+1，且当前的皮肤信号以及相邻的下一个皮肤信号S_n和S_n+1的一阶方差绝对值都不高于预设的第二一阶方差绝对值阈值ε。先行设定一个关于皮肤信号序列的一阶差分绝对值均值的指定值ε,ε取值结合操作员个体差异、人控操作任务特点综合考虑，或者基于实验数据的统计得到。

步骤201：操作员的心电信号h(i)i≥1的采集与记录。

在人控操作开始之前，脉搏传感器2实时采集操作员的心电信号h(i)i≥1，以得到操作员的心率特征，

步骤202：计算人控前操作员的心率f_0,h

计算人控操作开始前采集的操作员心电信号为h₀(i)i≥1，应用滤波器对心电信号进行通带滤波，通带截止频率设置为Ω_p＝[π,7π]，阻带截止频率设置为Ω_s＝[0.8π,7.2π]，通带衰减为0.5dB，阻带最大衰减为10dB，输出信号频率范围0.50～3.50Hz；应用主信号频率确定方法，

对于有限长度为N、采样率为f_s的时域信号x(n)n≥1，对该信号进行离散时间傅里叶变换

$X\left(e^{j\mathrm{\&omega;}}\right)=\underset{n=-\mathrm{\&infin;}}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}x\left(n\right)e^{-j\mathrm{\&omega;}n},-\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&omega;}<\mathrm{\&pi;}$

设

$\left|X\left(e^{{\mathrm{j\&omega;}}_0}\right)\right|=max\left|X\left(e^{j\mathrm{\&omega;}}\right)\right|=max\left|\underset{n=-\mathrm{\&infin;}}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}x\left(n\right)e^{-j\mathrm{\&omega;}n}\right|,-\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&omega;}<\mathrm{\&pi;}$

则时域信号x(n)n≥1的主信号频率f₀为

$f_0=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0{f}_s}{2\mathrm{\&pi;}}$

得到操作员的心率f_0,h，f_0,h＝1.25Hz；

步骤203：对人控后的心电信号进行分段并计算心率f_n,h

在人控操作开始之后，对采集操作员的心电信号h_n，n≥1进行分段处理，设定序列长度为L_h＝60f_s,h，f_s,h为操作员心电信号的采样频率，L_h为采集时间为1分钟的心电信号长度；

设人控操作开始之后采集的分段心电信号h_n为：

h_n＝[h((n-1)×L_h+300f_s,h+1),h((n-1)×L_h+300f_s,h+2),…,h((n-1)×L_h+300f_s,h+L_h)]

(5)

n≥1且为整数，对h_n应用滤波器对其进行通带滤波，通带截止频率设置为Ω_p＝[π,7π]，阻带截止频率设置为Ω_s＝[0.8π,7.2π]，通带衰减为0.5dB，阻带最大衰减为10dB，输出信号频率范围0.50～3.50Hz；应用主信号频率确定方法，得到操作员的心率f_n,h。

步骤204：计算人控操作开始后操作员的实时心率增长率I_n,h：

$I_{n,h}=\frac{f_{n,h}-f_{0,h}}{f_{0,h}}---\left(6\right)$

从n＝1开始，可以得到人控操作开始后操作员的实时心率增长率序列:

[0,0,0.07,0.07,0.07,0.27,0.33,0.33,0.33,…]

可以发现，人控操作开始后第6分钟开始，操作员的心率增长率显著升高。

步骤205：判断操作员的实时心率特征是否满足条件(2)：

I_n,h≥30％且I_n+2,h≥I_n+1,h≥I_n,h，n≥1

也就是判断当前心电信号的心率增长率是否高于预设的心率增长率阈值，并且当前心率增长率I_n,h不高于相邻的后一个心率增长率I_n+1,h。

步骤301：操作员呼吸信号r(i)i≥1的采集与记录。

在人控操作开始之前，差压型硅压阻式传感器6采集的操作员呼吸信号r(i)i≥1并进行处理，提取呼吸率特征。

步骤302：计算人控前操作员的呼吸率f_0,r

设人控操作开始前采集的操作员呼吸信号为r₀(i)i≥1，应用滤波器对其进行通带滤波，通带截止频率设置为Ω_p＝[0.20π,0.70π]，阻带截止频率设置为Ω_s＝[0.02π,0.80π]，通带衰减为0.5dB，阻带最大衰减为10dB，输出信号频率范围0.10～0.35Hz；应用主信号频率确定方法，得到操作员的呼吸率f_0,r＝0.2Hz；

步骤303：对人控后呼吸信号进行分段并计算呼吸率f_n,r：

对人控操作开始后采集的操作员呼吸信号r_n(i)i≥1进行分段处理，序列长度为L_r＝60f_s,r，f_s,r为操作员呼吸信号的采样频率，L_r为采集时间为1分钟的呼吸信号长度；

设人控操作开始后采集的分段呼吸信号r_n；

r_n＝[r((n-1)×L_r+300f_s,r+1),r((n-1)×L_r+300f_s,r+2),…,h((n-1)×L_r+300f_s,r+L_r)]

(7)

n≥1且为整数，对h_n应用滤波器对其进行通带滤波，通带截止频率设置为Ω_p＝[0.20π,0.70π]，阻带截止频率设置为Ω_s＝[0.02π,0.80π]，通带衰减为0.5dB，阻带最大衰减为10dB，输出信号频率范围0.10～0.35Hz；应用主信号频率确定方法，得到操作员的呼吸率f_n,r；

步骤304：计算人控操作开始后操作员的实时呼吸率增长率I_n,r：

$I_{n,r}=\frac{f_{n,r}-f_{0,r}}{f_{0,r}}$

从n＝1开始，可以得到人控操作开始后操作员的实时呼吸率增长率序列：

[0,0,0.08,0.08,0.17,0.25,0.25,0.25,0.25,…]

可以发现，人控操作开始后第3分钟开始，操作员的呼吸率增长率开始升高。研究表明，针对中国人群的认知(脑力)负荷实验研究发现，随着任务难度的增加，被试认知负荷提高，逐次呼吸间期显著减小，呼吸率显著加快。同时，针对中国人群的研究发现，人体呼吸信号的频率范围是0.10～0.35Hz，平静时的呼吸率为0.20～0.33Hz，但该值存在个体间差异。基于上述结果，可以认为虽然操作员的呼吸率提高，但升高的幅度在正常范围内。

步骤305：判断操作员的实时呼吸率特征是否满足条件(3)：

I_n,r≥50％且I_n+2,r≥I_n+1,r≥I_n,r，n≥1

也就是判断呼吸率增长率与预设的呼吸率增长率阈值进行比较，并且当前的呼吸率增长率I_n,r不高于相邻的后一个呼吸率增长率I_n+1,r。

步骤401：判断上述步骤105、205和305中的条件(1)、(2)、(3)是否同时满足：

如果3项条件全部满足，操作员状态等级G＝3，则认为操作员处于高度紧张状态，自动进行人控转机控，且蜂鸣器10报警；

如果仅有其中2项条件全满足，操作员状态等级G＝2，认为操作员处于比较紧张状态，建议人控转机控，且蜂鸣器10报警；

如果有且仅有1项条件满足，操作员状态等级G＝1，认为操作员可能处于紧张状态，建议人控转机控，但蜂鸣器10不报警；

如果3项条件均不满足，操作员状态等级G＝0，认为操作员不处于紧张状态，装备显示保持原状态，且蜂鸣器10报警。

设定该操作员的ε＝0.005，则n＝5时，操作员状态等级G＝1，则认为操作员可能处于紧张状态，液晶显示模块9显示“建议人控转机控”，但蜂鸣器10不报警；当n＝7时，操作员状态等级G＝2，则认为操作员处于比较紧张状态，则液晶显示模块9显示“建议人控转机控”，且蜂鸣器10报警。操作员在得到有效提示的情况下，根据自身状态和任务情景做出是否执行人控转机控的决策。

需要注意的是，本发明中的生理信号不仅仅包括心电信号、皮肤信号和呼吸信号，对于其他容易想到的生理信号如头发、血压等，也包括在本实施方式的范围之内。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种基于生理信号的人控转机控决策系统，应用于对操作员的认知状态进行评估，其特征在于，包括控制器(1)，分别通讯连接所述控制器(1)的液晶显示模块(9)和蜂鸣器(10)，以及

第一采集模块，实时采集操作员的心电信号，所述控制器(1)将所述心电信号的心率增长率与预设的心率增长率阈值进行比较，并且当前心率增长率不高于相邻的后一个心率增长率，以获得操作员的实时心率特征，并判断操作员的认知状态等级；

第二采集模块，实时采集操作员的皮肤信号，所述控制器(1)将人控操作开始之前与人控操作开始之后的两个皮肤信号的均值之差与预设的第一均值阈值进行比较，并且当前皮肤信号的均值不小于相邻的后一个皮肤信号均值，且当前的皮肤信号以及相邻的下一个皮肤信号的一阶方差绝对值都不高于预设的第一一阶方差绝对值阈值，以获得操作员的实时皮肤特征，并判断操作员的认知状态等级；

第三采集模块，实时采集操作员的呼吸信号，所述控制器(1)将所述呼吸信号的呼吸率增长率与预设的呼吸率增长率阈值进行比较，并且当前的呼吸率增长率不高于相邻的后一个呼吸率增长率，以获得操作员的实时呼吸率特征，并判断操作员的认知状态等级。

2.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述第二采集模块采集的皮肤信号，所述控制器(1)将人控操作开始之后与人控操作开始之前的两个皮肤信号的均值之差与预设的第二均值阈值进行比较，并且当前皮肤信号的均值不高于相邻的后一个皮肤信号均值，且当前的皮肤信号以及相邻的下一个皮肤信号的一阶方差绝对值都不高于预设的第二一阶方差绝对值阈值；以获得操作员的实时皮肤特征，并由所述控制器(1)判断操作员的认知状态等级。

3.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述第一采集模块包括脉搏传感器(2)，所述脉搏传感器(2)与所述控制器(1)电连接，将采集的所述心电信号传输至所述控制器(1)。

4.根据权利要求3所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，用腕部束缚带将所述脉搏传感器(2)置于操作员的非利手脉搏处。

5.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述第二采集模块包括依次电连接的生物电极(3)、第一放大器(4)和第一AD转换器(5)；所述皮肤信号通过生物电极(3)传输至所述第一放大器(4)进行共模抑制放大，所述第一AD转换器(5)将所述第一放大器(4)传输过来的模拟信号转换成数字信号，并通过串行外设接口传输至所述控制器(1)。

6.根据权利要求5所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述生物电极(3)设置于操作员的非利手掌心的食指、中指的指尖位置或掌心的食指、中指的第二节位置或掌心的鱼际、小鱼际隆凸位置。

7.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述第三采集模块包括依次电连接的硅压阻式传感器(6)、第二放大器(7)和第二AD转换器(8)，所述呼吸信号通过所述硅压阻式传感器(6)传输至所述第二放大器(7)进行共模抑制放大，所述第二AD转换器(8)将所述第二放大器(7)传输过来的模拟信号转换成数字信号，并通过串行外设接口传输至所述控制器(1)。

8.根据权利要求7所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，用胸束缚带将所述硅压阻式传感器(6)置于操作员的胸腔处。

9.根据权利要求5所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述第一放大器(4)设有第一正相输入端(+INA1)和第二正相输入端(+INB1)以及第一输出端(OUTA1)和第二输出端(OUTB1)，所述生物电极(3)输出的是一组差分式的正相皮肤信号(S1+)和反相皮肤信号(S1-)，所述正相皮肤信号(S1+)传输至所述第一放大器(4)的第一正相输入端(+INA1)，所述反相皮肤信号(S1-)传输至所述第一放大器(4)的第二正相输入端(+INB1)，

所述第一放大器(4)接有第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，所述第一电阻(R1)连接在所述第一放大器(4)的第一输出端(OUTA1)和第二输出端(OUTB1)之间；所述第二电阻(R2)连接在所述第一输出端(OUTA1)和第一反相输入端(-INA1)之间；还包括第三电阻(R3)，所述第三电阻(R3)连接在所述第一输出端(OUTA1)和第二输出端(OUTB1)之间；所述第二反相输入端(-INB1)连接在所述第一电阻(R1)和第三电阻(R3)之间；所述第一放大器(4)的放大倍数由(1+2R2/R1)决定。

10.根据权利要求7所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述第二放大器(7)设有第三正相输入端(+INA2)和第四正相输入端(+INB2)以及第三输出端(OUTA2)和第四输出端(OUTB2)，所述硅压阻式传感器(6)输出的是一组差分式的正相呼吸信号(S2+)和反相呼吸信号(S2-)，所述正相呼吸信号(S2+)传输至所述第二放大器(7)的第三正相输入端(+INA2)，所述反相呼吸信号(S2-)传输至所述第二放大器(7)的第四正相输入端(+INB2)，

所述第二放大器(7)接有第四电阻(R1')和第五电阻(R2')，所述第四电阻(R1')连接在所述第二放大器(7)的第三输出端(OUTA2)和第四输出端(OUTB2)之间；所述第五电阻(R2')连接在所述第三输出端(OUTA2)和第三反相输入端(-INA2)之间；还包括第六电阻(R3')，所述第六电阻(R3')连接在所述第三输出端(OUTA2)和第四输出端(OUTB2)之间；所述第四反相输入端(-INB2)连接在所述第四电阻(R1')和第六电阻(R3')之间；所述第二放大器(7)的放大倍数由(1+2R2'/R1')决定。

11.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，

在人控操作开始前，所述第一采集模块采集并存储操作员的心电信号h₀(i) i≥1，对所述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，得到操作员的心率f_0,h；

在人控操作开始后，所述第一采集模块采集并存储操作员的心电信号h_n(i) i≥1，并对所述心电信号进行分段处理得到分段的心电信号序列h_n；n≥1且为整数，对所述分段的心电信号序列h_n进行滤波后通过主信号频率确定方法得到操作员的心率f_n,h；

计算操作员的心率增长率I_n,h，所述

12.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，

在人控操作开始前，所述第二采集模块采集并存储皮肤信号x₀(i) i≥1，对所述皮肤信号进行分段并计算皮肤信号序列的均值M₀和一阶差分绝对值均值S₀；

在人控操作开始后，所述第二采集模块采集并存储皮肤信号x_n(i) i≥1，对所述皮肤信号进行分段得到分段的皮肤信号序列x_n(i),n≥1且为整数，并计算皮肤信号序列的均值M_n和一阶差分绝对值均值S_n。

13.根据权利要求1所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，

在人控操作开始前，所述第三采集模块采集并存储操作员的呼吸信号r₀(i) i≥1，对所述呼吸信号r₀(i) i≥1滤波后通过主信号频率确定方法得到操作员的呼吸率f_0,r；

在人控操作开始后，所述第三采集模块采集并存储操作员的呼吸信号r_n(i) i≥1，对所述呼吸信号进行分段得到分段的呼吸信号序列r_n，n≥1且为整数，并对所述呼吸信号序列进行滤波，通过主信号频率确定方法确定操作员的呼吸的心率f_n,r；

计算操作员的呼吸率增长率I_n,r，所述

14.根据权利要求11-13任意一项所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，所述控制器(1)判断操作员的认知状态等级的方法包括：

判断所述皮肤信号均值M_n以及一阶差分绝对值均值S_n是否满足条件(1)：

M₀-M_n≥3μS且M_n≥M_n+1≥M_n+2且S_n≤ε且S_n+1≤ε且S_n+2≤ε

或者

M_n-M₀≥3μS且M_n≤M_n+1≤M_n+2且S_n≤ε且S_n+1≤ε且S_n+2≤ε

其中，μS为设定的均值阈值，n≥0且为整数,ε为设定一阶差分绝对值均值阈值，ε的取值结合操作员个体差异、人控操作任务综合考虑或者基于实验数据的统计得到；

判断所述心率增长率是否满足条件(2)：

I_n,h≥30％且I_n+2,h≥I_n+1,h≥I_n,h，n≥1

判断所述呼吸率增长率是否满足条件(3)：

I_n,r≥50％且I_n+2,r≥I_n+1,r≥I_n,r，n≥1

若以上3个条件同时满足，则操作员处于高度紧张状态，操作员的认知状态等级G＝3；

如果仅有其中2项条件满足，则操作员处于比较紧张状态，操作员的认知状态等级G＝2；

如果仅有其中1项条件满足，则操作员处于紧张状态，操作员的认知状态等级G＝1；

否则操作员的认知状态等级G＝0。

15.根据权利要求14所述的基于生理信号的人控转机控决策系统，其特征在于，

若操作员的认知状态等级G＝3，则所述决策系统自动实现人控转机控，且所述蜂鸣器(10)报警；

若操作员的认知状态等级G＝2，则所述液晶显示模块(9)显示“建议人控转机控”，且所述蜂鸣器(10)报警；

若操作员的认知状态等级G＝1，则所述液晶显示模块(9)显示“建议人控转机控”，但所述蜂鸣器(10)不报警；

若操作员的认知状态等级G＝0，则所述液晶显示模块(9)保持原状态不变，且所述蜂鸣器(10)不报警。