郭 爽，孫冠卓，董守放

（1. 北京市軌道交通運營管理有限公司，北京 100068；2. 中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100044；3. 中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100038）

1 研究背景

近年來，我國城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）建設(shè)與運營得到快速發(fā)展。截至2020年12月31日，中國內(nèi)地共有45座城市開通城軌，運營里程達到7 978.19 km[1]。在城軌快速發(fā)展過程中，運營安全成為社會關(guān)注的重點。城軌列車駕駛員、行車調(diào)度員、行車值班員是運營管理工作中的關(guān)鍵崗位人員，承擔(dān)列車駕駛、運輸調(diào)度、行車組織、應(yīng)急處置等工作，對城軌運營安全有著至關(guān)重要的作用[2-3]。

相關(guān)研究者通過對城軌運營事故的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，人因失誤是引發(fā)事故的重要原因[4-6]。因此，對運營關(guān)鍵崗位人員進行合理的安排和調(diào)配保證其工作狀態(tài)良好才能保障城軌運營安全。為保障城軌系統(tǒng)正常運營，關(guān)鍵崗位人員需要晝夜輪班工作以保證各項工作的運轉(zhuǎn)。而輪班工作制干擾了人體生物節(jié)律形成的規(guī)律性生理和心理狀態(tài)，嚴重的節(jié)律紊亂不僅會影響人員工作狀態(tài),也會導(dǎo)致疾病的發(fā)生[7-9]。

既有文獻對關(guān)鍵崗位的輪班形式、疲勞、工作負荷等均進行了研究[10-13]，也取得了一定的研究成果，但仍存在監(jiān)測設(shè)備便攜性差、一定程度上干擾人員工作、系統(tǒng)實施復(fù)雜、數(shù)據(jù)有效性較差、系統(tǒng)評價標準難以適應(yīng)個體差異等問題，因此仍較多應(yīng)用于實驗環(huán)境下的驗證測試卻難以應(yīng)用于城軌運營生產(chǎn)的實際工作中。

基于上述背景，本研究基于數(shù)據(jù)標準化管理與城軌運營安全與管理需求，研發(fā)城軌運營關(guān)鍵崗位人員狀態(tài)預(yù)警與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過智能手環(huán)與移動終端全程監(jiān)測關(guān)鍵崗位人員生理、心理與行為狀態(tài)，綜合評估分析疲勞、健康、工效與生物節(jié)律狀態(tài)并可視化展示，實現(xiàn)異常狀態(tài)下的預(yù)測預(yù)警與應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動，通過自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)改善人員在崗狀態(tài)并提高工作效能，形成系統(tǒng)化人員狀態(tài)管理解決方案，保障城軌系統(tǒng)安全與高效運行。

2 需求分析

2.1 數(shù)據(jù)精準采集需求

數(shù)據(jù)是運營管理與應(yīng)急決策的依據(jù)，也是信息系統(tǒng)智能化與精準化的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)的不可靠與缺失會導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果分析有誤，錯誤引導(dǎo)運營決策。運營管理人員需要精準掌握生產(chǎn)崗位人員的工作狀態(tài)，對其進行合理調(diào)度與安全監(jiān)控，就要保證數(shù)據(jù)的精準采集，確保其真實性、可靠性、完整性，為各業(yè)務(wù)應(yīng)用提供精準、全面的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)標準化管理需求

隨著城軌信息化的發(fā)展，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)匯聚了大量的數(shù)據(jù)，但各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一以至數(shù)據(jù)共享性較差。遵照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，規(guī)范化管理數(shù)據(jù)，將標準化管理貫徹于數(shù)據(jù)的采集、傳輸、預(yù)處理、分析建模、業(yè)務(wù)應(yīng)用等完整的數(shù)據(jù)鏈條，不僅可以提高系統(tǒng)對各數(shù)據(jù)資源的調(diào)用效率，也可以實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)功能的拓展升級[14]。

2.3 運營安全管理需求

“人—機—環(huán)境”是城軌系統(tǒng)的重要組成要素，只有確保三者的有機結(jié)合才能確保系統(tǒng)安全與高效運行[15]。城軌運營關(guān)鍵崗位通常采用輪班工作制，其帶來的睡眠狀態(tài)不良會導(dǎo)致人員注意力分散和警覺性的下降，出現(xiàn)誤操作、意識不清晰和執(zhí)行力差等問題，長期處于這種狀態(tài)，會導(dǎo)致人員在工作中出現(xiàn)失誤和突發(fā)疾病，以至威脅到城軌運營安全[16]。監(jiān)測人員狀態(tài)并進行預(yù)測預(yù)警將有效降低人因風(fēng)險，通過狀態(tài)調(diào)節(jié)從根本上保障運營安全。

2.4 以人為本的管理需求

隨著社會的進步，各行各業(yè)逐步落實與推廣以人為本的管理理念。城軌行業(yè)因其工作特性，關(guān)鍵崗位人員需要晝夜輪換工作，這不僅可能造成安全風(fēng)險，也對員工生命健康產(chǎn)生威脅。對人員生理、心理、行為狀態(tài)進行全面監(jiān)測，根據(jù)人員自身狀態(tài)合理安排工作量、均衡工作負荷、減少輪班產(chǎn)生的不適應(yīng)癥狀、提高自身生理機能與工作效能，不僅是工作安全的需要，更是企業(yè)管理現(xiàn)代化與社會進步的體現(xiàn)。

3 系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體采用分層體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)采用的基礎(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)應(yīng)用等，將系統(tǒng)分為基礎(chǔ)設(shè)備層、數(shù)據(jù)資源層、技術(shù)支撐層、應(yīng)用功能層、終端展示層和用戶接入層6個層級，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

（1）基礎(chǔ)設(shè)備層。包括各類系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用所需的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，包括用戶終端設(shè)備如智能移動終端、智能手環(huán)終端、電腦終端，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施設(shè)備如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等。

（2）數(shù)據(jù)資源層。包括由基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備層監(jiān)測及傳輸?shù)膭討B(tài)及靜態(tài)數(shù)據(jù)，如心理狀態(tài)數(shù)據(jù)、心理測試數(shù)據(jù)、心理調(diào)研數(shù)據(jù)、個人屬性數(shù)據(jù)及工作屬性數(shù)據(jù)，并通過接口服務(wù)支持其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)或外部數(shù)據(jù)匯聚入系統(tǒng)，為系統(tǒng)應(yīng)用功能提供多源數(shù)據(jù)支撐。

（3）技術(shù)支撐層。通過應(yīng)用服務(wù)器，提供對系統(tǒng)應(yīng)用層的技術(shù)支撐，如生理監(jiān)測分析、心理主觀測評分析、心理客觀測試分析、數(shù)據(jù)分析建模、自適應(yīng)標準調(diào)整，并將系統(tǒng)監(jiān)測及統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)多維可視化展示。

（4）應(yīng)用功能層?；诙嘣磾?shù)據(jù)實現(xiàn)人員狀態(tài)的監(jiān)測、分析、預(yù)警及調(diào)節(jié)等，包括人員狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警、人員狀態(tài)評估分析、異常狀態(tài)預(yù)警、自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)、多崗位應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動及系統(tǒng)綜合管理功能。

（5）終端展示層。通過基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備提供系統(tǒng)運行與應(yīng)用平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)人員的生理監(jiān)測及心理測評、管理人員的移動管理及固定管理，包括生產(chǎn)人員手機端、生產(chǎn)人員手環(huán)端、管理人員手機端及管理人員PC端。

（6）用戶接入層。根據(jù)城軌運營管理需求，實現(xiàn)關(guān)鍵崗位生產(chǎn)人員的預(yù)警與調(diào)節(jié)，為各層級及各分管的生產(chǎn)與管理部門提供人員狀態(tài)監(jiān)控與協(xié)同管理，包括站務(wù)管理部門、乘務(wù)管理部門、運營控制中心及線網(wǎng)指揮中心。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）和客戶端/服務(wù)器（C/S）混合架構(gòu)模式，根據(jù)業(yè)務(wù)場景與終端設(shè)備，支持在個人PC端與智能移動設(shè)備終端運行與使用，可通過多種應(yīng)用程序接口（API）實現(xiàn)設(shè)備間的信息交互與系統(tǒng)的拓展。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)預(yù)處理層、數(shù)據(jù)倉儲層、數(shù)據(jù)建模分析層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層和信息展示層。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集層通過運營關(guān)鍵崗位人員佩戴的智能手環(huán)和移動終端實現(xiàn)生理、心理數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的采集與傳輸，其中生理數(shù)據(jù)通過智能手環(huán)監(jiān)測并上傳，心理數(shù)據(jù)通過以移動終端開展主觀與客觀心理測試獲取。屬性數(shù)據(jù)包括工作崗位、班制、工齡、排班信息、工作區(qū)段等工作屬性信息和姓名、年齡、性別等個人屬性信息。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層將監(jiān)測與測評數(shù)據(jù)進行解編碼，然后通過有線和無線傳輸?shù)男问竭B接手環(huán)終端、移動終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、管理人員PC終端，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的傳輸與流轉(zhuǎn)。手環(huán)與移動終端通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)，移動終端通過4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)服務(wù)器連接，服務(wù)器與PC終端通過有線形式傳輸。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理層接收數(shù)據(jù)后，通過缺失值處理、異常值處理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)標準化、數(shù)據(jù)離散化等過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理。數(shù)據(jù)缺失值通過忽略元組、均值填充、最可能值填充等形式處理；異常值通過刪除、均值或其他統(tǒng)計量取代、視為缺失值等形式處理；對多源數(shù)據(jù)，進行合并形成一致的數(shù)據(jù)存儲，并集成到一個數(shù)據(jù)倉庫中存儲；采用Min-Max標準化、向量歸一化、指數(shù)轉(zhuǎn)化法等方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化處理；通過距離分組、分位數(shù)分組、單變量分組等形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的離散化。

（4）數(shù)據(jù)倉儲層對預(yù)處理數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)倉儲與數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)倉儲通過構(gòu)建業(yè)務(wù)指標庫、業(yè)務(wù)特征庫、業(yè)務(wù)邏輯庫、業(yè)務(wù)分析庫實現(xiàn)，數(shù)據(jù)交互通過分布式查詢、高效壓縮、并行計算與實時查詢的形式實現(xiàn)。

（5）數(shù)據(jù)建模分析層調(diào)用數(shù)據(jù)通過建模算法進行數(shù)據(jù)建模與分析，根據(jù)數(shù)據(jù)類型與業(yè)務(wù)應(yīng)用提供因子分析模型、回歸分析模型、聚類分析模型等，支持開展數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等建模分析。根據(jù)生理與心理數(shù)據(jù)類型選用合適的分析建模算法開展建模分析，以支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（6）數(shù)據(jù)應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)建模分析，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警、狀態(tài)分析評估、異常狀態(tài)預(yù)警、自適應(yīng)調(diào)節(jié)和應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。評估運營人員的疲勞、健康、工效及生物節(jié)律狀態(tài)，對異常狀態(tài)做出預(yù)測預(yù)警，根據(jù)個人歷史狀態(tài)與屬性變化實現(xiàn)自適應(yīng)評估標準的調(diào)整，在異常與應(yīng)急情況下實現(xiàn)多崗位應(yīng)急聯(lián)動。

（7）信息展示層實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化管理與多維結(jié)果顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、用戶管理、參數(shù)配置管理、接口管理等系統(tǒng)管理模塊功能，在終端顯示人員實時狀態(tài)、異常警示、狀態(tài)調(diào)節(jié)模型、應(yīng)急聯(lián)動狀態(tài)等過程與結(jié)果數(shù)據(jù)，為運營人員狀態(tài)可視化評估與管控提供技術(shù)輔助。

3.3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)功能分為人員狀態(tài)綜合監(jiān)測、狀態(tài)評估分析、異常狀態(tài)預(yù)警、自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)、應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動和系統(tǒng)管理6部分，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

（1）狀態(tài)綜合監(jiān)測。系統(tǒng)可實現(xiàn)運營人員生理、心理與行為狀態(tài)數(shù)據(jù)的精準監(jiān)測與多維展示。系統(tǒng)全程監(jiān)測人員生理、心理及行為狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)心率、血壓、體溫等生理指標狀態(tài)和主觀疲勞度、睡眠指數(shù)、反應(yīng)時間與失誤率等心理測評指標狀態(tài)以及運動狀態(tài)、運動量等行為指標狀態(tài)的監(jiān)測與顯示，為人員狀態(tài)監(jiān)測提供基礎(chǔ)評價指標。

（2）狀態(tài)評估分析。系統(tǒng)可實現(xiàn)疲勞、健康、工效、生物節(jié)律狀態(tài)的評估分析與多維展示。管理人員可按崗位、班組、姓名等形式查詢?nèi)藛T綜合或單項指標狀態(tài)。系統(tǒng)通過人員生理、心理、行為歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，形成狀態(tài)評估標準，將實時狀態(tài)與評估標準匹配，實現(xiàn)狀態(tài)等級評價，并通過不同顏色顯示，為排班管理、人員調(diào)度、工作負荷評價等業(yè)務(wù)場景提供參考依據(jù)。

（3）異常狀態(tài)預(yù)警。系統(tǒng)基于狀態(tài)監(jiān)測與評估分析，對人員疲勞、突發(fā)疾病與工效狀態(tài)的異常情況做出預(yù)測與預(yù)警。系統(tǒng)通過人員狀態(tài)態(tài)勢變化預(yù)測得到人員疲勞程度超過閾值、心率過速、血壓過高、心率不齊、工效降低等異常狀態(tài)后，自動向所屬主管部門及運營控制中心、線網(wǎng)指揮中心等發(fā)送警示信息，同時手環(huán)終端發(fā)出聲音與振動警示，提示相應(yīng)管理與生產(chǎn)人員及時響應(yīng)。

（4）自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)基于人員歷史與實時狀態(tài)，通過班制調(diào)節(jié)、環(huán)境調(diào)節(jié)與行為調(diào)節(jié)的形式實現(xiàn)人員在崗及生活狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)?；诖髷?shù)據(jù)、生物節(jié)律、安全行為學(xué)等理論，形成個性化自適應(yīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)方案，如不同班制下輪班方案策略、班制內(nèi)分時段輪班方案策略、低工效時段的工效提升策略、低工效時段的休息與調(diào)整策略、針對性安全風(fēng)險管控策略等，通過移動終端聲光警示、工作優(yōu)化方案查詢與推送、個性化生活調(diào)整方案查詢與推送等形式，實現(xiàn)人因?qū)虻陌踩L(fēng)險管控。

（5）應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動。系統(tǒng)通過多種終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布共享、信息通信聯(lián)動及應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動等功能。系統(tǒng)通過構(gòu)建多層級工作班組的形式，實現(xiàn)同層級與不同層級之間人員的信息共享。系統(tǒng)支持信息通信聯(lián)動，實現(xiàn)運營任務(wù)的自動分配與關(guān)鍵信息自動調(diào)用。在突發(fā)與異常狀態(tài)情況下，實現(xiàn)在崗人員的聯(lián)動通信、應(yīng)急預(yù)案自動分配、應(yīng)急人員自動調(diào)配等功能，提高人員應(yīng)急處置水平。

（6）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)支持對數(shù)據(jù)、用戶、參數(shù)配置進行可視化管理。系統(tǒng)通過API接口支持外部數(shù)據(jù)與其他生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，實現(xiàn)系統(tǒng)功能拓展與關(guān)聯(lián)分析。通過人員權(quán)限管理為各級人員開放相應(yīng)的權(quán)限，實現(xiàn)各級管理人員對所管范圍信息的及時更新與維護，通過對分析模型進行自定義配置與更新升級，保證分析結(jié)果的準確性。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)標準化處理技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，為運營人員狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)提供完整的數(shù)據(jù)處理與分析流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、預(yù)處理、倉儲、建模分析、分析應(yīng)用與多維展示。依據(jù)數(shù)據(jù)采集標準、數(shù)據(jù)分級分類管理標準、接口標準、數(shù)據(jù)融合標準、數(shù)據(jù)交換標準等標準規(guī)范體系，標準化數(shù)據(jù)處理流程。根據(jù)數(shù)據(jù)特征與業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，形成多樣化、可拓展的模型庫，支撐分析建模服務(wù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4.2 生理狀態(tài)測評與分析技術(shù)

采用生理狀態(tài)測評與分析技術(shù)，對心電、血壓、體溫等數(shù)據(jù)進行處理計算，分析疲勞、疾病及生物節(jié)律特征。對原始脈搏信號采用時域、頻域、非線性分析法進行處理分析，計算心電信號的心率變異性特性，選用以隨機過程參數(shù)模型為基礎(chǔ)的自回歸模型現(xiàn)代譜估計和基于心臟搏動間期的龐加萊散點圖，分析脈搏信號波動特征，得到人員疲勞特征。對心電數(shù)據(jù)使用基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析心電特征，分析及預(yù)測心臟室性早搏、心動過速等疾病。對心率、血壓與體溫數(shù)據(jù)，采用余弦分析模型，計算模型的中值、振幅、峰值相位、峰值時間等特征參數(shù)，分析人員的生物節(jié)律特性。

4.3 心理狀態(tài)測評與分析技術(shù)

采用心理狀態(tài)測評及分析技術(shù)，對疲勞量表、睡眠量表、反應(yīng)時測試等數(shù)據(jù)進行處理計算，分析其疲勞度、生物節(jié)律和工作效能特征。通過疲勞癥狀自評量表 調(diào)查數(shù)據(jù)，分析不同時刻關(guān)鍵崗位人員的主觀疲勞度，通過威爾科克森符號秩檢驗分析不同時刻疲勞度的顯著性差異變化。選用人因工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的多維疲勞量表和匹茲堡睡眠尺度量表調(diào)查人員睡眠質(zhì)量情況，分析輪班工作對其睡眠—覺醒生物節(jié)律的影響及睡眠和疲勞之間的相關(guān)性。通過選擇反應(yīng)時測試，統(tǒng)計分析人員反應(yīng)時間及錯誤率，計算人員的工效狀態(tài)。

4.4 評估標準自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整技術(shù)

基于動態(tài)調(diào)整技術(shù)，對人員狀態(tài)評估標準進行自適應(yīng)調(diào)整（圖4），形成高精度、個性化的評估標準。系統(tǒng)基于海量個體生理數(shù)據(jù)、心理數(shù)據(jù)及行為數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本屬性特征進行分層抽樣，構(gòu)建疲勞、健康、工效、生物節(jié)律狀態(tài)的常模標準。以各項常模標準為基準，根據(jù)個體的動態(tài)生理數(shù)據(jù)與動態(tài)心理數(shù)據(jù)結(jié)合動態(tài)屬性數(shù)據(jù)進行狀態(tài)動態(tài)評估與動態(tài)校驗，經(jīng)過多次數(shù)據(jù)迭代逐步優(yōu)化模型以逼近個人真實狀態(tài)，最終形成基于個體屬性的動態(tài)評價標準，再根據(jù)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)狀態(tài)的精準評估分析與預(yù)測。

圖4 自適應(yīng)調(diào)整模型

5 結(jié)語

本研究提出了城軌運營關(guān)鍵崗位人員狀態(tài)預(yù)警與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出系統(tǒng)的總體架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)，系統(tǒng)性介紹了系統(tǒng)功能和關(guān)鍵技術(shù)。該方案將生理監(jiān)測、心理測評、行為監(jiān)測等人因工程技術(shù)應(yīng)用于城軌運營場景，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化管理與融合應(yīng)用，形成人員狀態(tài)的閉環(huán)管理，降低人因風(fēng)險，為保障城軌運營安全提供技術(shù)支撐。目前，人因測評集成與生產(chǎn)應(yīng)用的實例較少，如何提高生產(chǎn)環(huán)境下的適用性并將現(xiàn)代化監(jiān)測與管理手段充分與現(xiàn)有運營管理形式深度融合，仍需要進行深入研究。