[发明专利]潜航员潜航作业脑力负荷监测系统

说明书

一种潜航员潜航作业的脑力负荷监测系统，包括：信号采集单元、滤波处理单元、特征提取单元、监测评估分析单元，信号采集单元通过盘状电极采集脑电信号并输出至滤波处理单元，滤波处理单元将滤波后的超范围原始数据剔除并生成脑电图信号后输出至特征提取单元，特征提取单元从中提取出特征指标并生成各个样本的脑力负荷特征指标后输出至监测分析单元，监测分析单元通过基于量子混沌粒子群优化算法的多类支持向量机一次性识别不同类别多个样本的脑力复合特征指标，得到脑力负荷评估分析结果；本发明操作简单、分析速度快、精确度高，能够对潜航员深海作业脑力负荷进行较为准确地监测评估，使之根据驾驶任务过程的脑力负荷变化针对性提供信息补偿，尽量避免潜航员陷入过高或较低脑力负荷状态。

技术领域

本发明涉及一种潜航员潜航作业的脑力负荷监测系统，属于脑力负荷识别技术领域。

背景技术

随着我国对深海资源的勘探与开发，我国载人潜水器深海作业航次不断增加，潜航员作为载人潜水器中人-机-环境系统的核心，担任着潜航作业的重要任务。潜航员不仅要在驾驶过程中避开障碍物和危险区域(如飞行员及汽车驾驶员)，而且要在载人舱内操作复杂的操作系统进行布放标志物、采集水样、沉积物等一系列高难度水下作业任务。除此之外，潜航员需要时刻监视系统状态，根据海底地形制定和调整潜航策略，完成潜航任务。潜航员在载人仓内深入数千米海下，工作空间密闭狭小，在长达10个小时以上的深潜任务中需要长时间观察，不间断作业，一直处于高度紧张的工作状态，承受的工作负荷主要为脑力负荷。其脑力负荷会随着时间压力、安全威胁(复杂的深海地形)和环境因素(异常温度、振动、加速度、噪声)以及作业任务的难易程度产生变化。在脑力负荷过高或过低的情况下，其工作效率会明显下降，出现各种操作错误、疏忽、紊乱、生理应激状况，甚至导致重大安全事故的发生。

目前国内外对脑力负荷主要集中在飞行员及汽车驾驶员等研究，缺乏对潜航员驾驶潜水器在深海潜航作业时的脑力负荷研究。而且，对脑力负荷主要采用主观评测及行为绩效的评估方法，这些方法往往掺杂决策者主观偏好，系统误差较大，具有应用局限性。脑电信号作为直接反应大脑活动的神经生理信号，自发脑电的频域特征和时域特征与潜航员的当前脑力负荷具有高度相关性。因此，基于脑电信号对深海载人潜水器潜航作业中的脑力负荷进行有效的监测评估，进而制定合理的作业流程，在潜航员脑力负荷过小或过大时进行干预(人机功能的再分配、主副驾驶的职责再分配、任务策略的重新选择等)，对于提高潜航员的潜水器操作能力、保护其身心健康、减少人为失误、提高潜航安全具有重要意义。

发明内容

本发明针对潜航员的脑电信号受到环境因素及操作任务等外界的影响较大，具有小样本、非线性及高维数据的特点，现有主观评测及行为绩效评估脑力负荷操作复杂、精度不高，而标准支持向量机又存在模型计算量大、训练时间长等问题，提出一种潜航员潜航作业的脑力负荷监测系统，采用量子混沌粒子群优化一对一法的多类支持向量机对潜航员潜航作业脑力负荷监测评估，具有操作简单、分析速度快、精确度高等优点，能够对潜航员深海作业脑力负荷进行较为准确地监测评估，使之根据驾驶任务过程的脑力负荷变化针对性提供信息补偿，尽量避免潜航员陷入过高或较低脑力负荷状态。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种潜航员潜航作业的脑力负荷监测系统，包括：信号采集单元、滤波处理单元、特征提取单元和监测评估分析单元，其中：信号采集单元通过盘状电极采集脑电信号并输出至滤波处理单元，滤波处理单元将滤波后的超范围原始数据剔除并生成脑电图信号后输出至特征提取单元，特征提取单元从中提取出特征指标并生成各个样本的脑力负荷特征指标后输出至监测分析单元，监测分析单元通过基于量子混沌粒子群优化算法的多类支持向量机一次性识别不同类别多个样本的脑力复合特征指标，得到脑力负荷评估分析结果。

所述的信号采集单元采用Ag-AgCl盘状电极置于国际标准10-20系统电极放置法的Fz、Cz、Pz点记录脑电信号，采样频率1000Hz。