(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202110633733.9 (22)申请日 2021.06.07 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 许智熠　潘绪仲　王雪珂　许云帆　 狄长安　张永建　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 代理人 汪清 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) A61B 5/00(2006.01) A61B 5/01(2006.01) A61B 5/0205(2006.01) A61B 5/1455(2006.01)G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 火炮人机 工效评估数据采集系统 (57)摘要 本发明提出了一种火炮人机工效评估数据 采集系统， 该系统考虑到 火炮人机工效对操作人 员疲劳程度的影 响， 还引入火炮发射时的恶劣环 境对操作人员的危害以综合评估火炮的人机工 效， 导入除常规生理参数外的人机交互参数、 环 境参数综合评估火炮装备人机环对操作人员的 身体健康危害程度、 疲劳影响程度、 持续作战能 力的影响； 发明了一套可穿戴的火炮人机工效数 据采集系统， 除了能评估火炮发射时恶劣环境对 人的危害外， 还优化了适应于手机的疲劳评估模 型， 增加人机交互参数即操作力的特征值作为疲 劳评估模型的输入参数， 提高了疲劳评估的精 度， 使得该系统有着广泛的应用前 景。 权利要求书3页 说明书11页 附图5页 CN 114048666 A 2022.02.15 CN 114048666 A 1.一种火炮人机 工效评估数据采集系统， 其特 征在于， 包括： 火炮操作人员生理参数监测装置， 用于获取操作人员的皮温、 心率、 血氧饱和度三个生 理参数； 火炮交互参数监测装置， 用于获取火炮操作人员的操作力和 加速度； 实际工况 下环境参数监测装置， 用于获取作战环境下的参数 数据； 上位机模块， 利用BP神经网络得到训练好的疲劳评估模型， 将三个生理参数， 以及从操 作力数据取出峰值及上升时间、 采集的人员反应时间作为疲劳评估模型的输入进 行疲劳判 定； 根据获得的作战环境下的参数 数据， 判定是否适 合操作人员继续进行军事作业。 2.根据权利要求1所述的火炮人机工效评估数据采集系统， 其特征在于， BP神经网络训 练过程为： (1)获得用于BP神经网训练的数据： 获得心率数据XLu、 皮温数据TWu、 血氧饱和度数据XYu、 操作力峰值FPu、 操作力上升时间 FTu、 实验得到的人员反应时间的数据RTu； (2)对以上数据 进行归一化处理； 得到归一化后的心率数据XLu′、 皮温数据 TWu′、 血氧饱 和度数据XYu′、 操作力峰值FPu′、 操作力上升时间FTu′、 实验得到的人员反应时间的数据 RTu′， 其中u为实验组数 (3)确定第一组用于前向输入层数据I； I＝[XL1' TW1' XY1' FP1' FT1']T (4)确定神经网络第二层隐含层的节点数； 第二层的节点数由如下 所示的经验公式确定 其中， q是隐含层节点数， c、 b分别是输入层、 输出层节点数， a为0～10之间的正整数； (5)完成层间传递时的矩阵计算与层内的激活计算； (6)计算前向传播输出层； (7)BP神经网络进行误差反向传播， 通过沿着误差平方和的最速下降方向连续调整层 间连接矩阵的各权值以实现对样本的学习。 3.根据权利要求2所述的火炮人机工效评估数据采集系统， 其特征在于， BP神经网络进 行误差反向传播中引入自适应调节学习率， 得到误差反向传播的公式如下： Δwk+1＝α Δwk+ ηk+1·G(k) 其中k为训练次数， Δwk+1为第k+1次训练的权值修正值， α 为动量项因子， Δwk为第k次训 练的权重调整值， ηk为第k次训练的学习率因子矩阵， E为误差函数， G(k)为第k次训练的误 差函数对当前权 值的梯度； Ok为第k次训练样本作用下的输出， tk为第k次训练样本对 应的期 望输出， Ov为隐含层输出矩阵第v位的值。 4.根据权利要求1所述的火炮人机工效评估数据采集系统， 其特征在于， 所述火炮操作 人员生理参数监测装置， 包括主控 模块、 皮温模块、 心率及血 氧模块；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114048666 A 2所述皮温模用于检测人体皮温； 随时心率及血 氧模块用于检测人体的心率及血 氧饱和度； 所述主控模块用于控制皮温模块、 心率及血氧模块的数据采集、 处理； 进一步的提取出 心率及血 氧饱和度的值过程 为： (1)对红光光电容积脉搏波的数字信号Xi及红外光光电容积脉搏波的数字信号Yi进行 交直流划分； 步骤2、 使用一元线性回归去除红光交流分量X_aci及红外光交流分量Y_aci的基线漂 移； 步骤3、 使用均方根计算去除基线漂移后得到红光交流 分量X_aci′及去除基线漂移后得 到红外光交流分量Y_aci′的有效值； 步骤4、 计算去除基线漂移后得到红光交流 分量X_aci′及去除基线漂移后得到红外光交 流分量Y_aci′的皮尔逊相关系数r； 步骤5、 计算去除基线漂移后得到红外光交流分量Y_aci'的自相关函数Rxx[k]的峰值， 并通过峰值检波获得自相关函数Rxx[k]的第一个局部最大值P； 步骤6、 计算心率、 血 氧特征值和血 氧饱和度的值。 5.根据权利要求1所述的火炮人机工效评估数据采集系统， 其特征在于， 所述火炮交互 特征参数监测装置包括主控 模块、 操作力模块、 加速度模块； 所述操作力模块用于采集火炮操作人员搬运炮弹时炮弹对操作人员手部的压力； 所述加速度模块用于采集火炮操作 人员搬运炮弹时人体的运动加速度， 将加速度模块 相对于上电时刻加速度模块所建坐标系三个坐标轴加速度的数字信号输出， 对该数字信号 进行解算， 最终分别将相对于上电时刻加速度模块所建坐标系三个坐标轴的三个角度输 出； 所述主控模块设计了操作力检测单元， 用于判断当前时刻是否存在操作力， 当检测当 前时刻存在操作力， 则将新采样的当前时刻操作力的原始数据发送至上位机模块； 发送完 成后继续计算 新的多个采样点进行 下一次判断。 6.根据权利要求5所述的火炮人机工效评估数据采集系统， 其特征在于， 所述主控模块 首先对加速度模块进 行初始化， 读取加速度模块相对于上电时刻建立在加速度模块上坐标 系的三个坐标的加速度ax1、 ay1、 az1， 以及俯仰角、 横滚角、 航向角； 将上述三个坐标的加速度 ax1、 ay1、 az1转换为加速度模块相对于人体空间建立的坐标系内的三个加速度ax2、 ay2、 az2， 构 建三维转换矩阵； 将az2减去重力加速度分量得到人体在空间中Z轴的加速度az2′。 7.根据权利要求1所述的火炮人机工效评估数据采集系统， 其特征在于， 还设有手机作 为接收终端， 接收终端 具备多通道数据接收， 多通道数据接收部 分使用多线程编程技术， 创 建与下位机连接通道的工作放在子线程中进行： 在子线程通过调用ServerSocket类创建TCP服务器 并调用相应的监听连接请求方法等 待主控模块连接； 所调用的监听方法是阻塞式， 在监听连接请求过程中， 若下位机发起连入 TCP服务器的请求， 软件中的监听方法将会返回一个Socket对象， 而后通过Socket对象的字 节输入流即可在软件中读取由下位机所发送的数据包； 每次连接后返回的Socket都用于构 造一个继承自Thread类的对象， 使 得每个Socket代表的连接都能作为一个子线程在软件中 运行， 不断 向主线程发送数据。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114048666 A 3