T-CCSCIOT 0007-2023 學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)要求

ICS35.110CCSCIOT無錫“感知中國”物聯(lián)網(wǎng)商會團體標準TechnicalRequirementsofIntelligentInternetofThingsSystemforStudentMentalIT/CCSCIOT0007—2023 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4符號和縮略語 5系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5.1結(jié)構(gòu)概述 5.2信息采集 5.3信息處理 5.4無線通信 5.5數(shù)據(jù)存儲 5.6樣本集 5.7機器學(xué)習(xí) 5.8信息展示 6工作流程 6.1流程概述 6.2傳統(tǒng)座椅容器工作流 6.3數(shù)據(jù)分析平臺工作流 6.4心理健康評估報告 T/CCSCIOT0007—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由無錫“感知中國”物聯(lián)網(wǎng)商會提出并歸口。本文件起草單位：中物云信息科技（無錫）有限公司、無錫益拓信息科技合伙企業(yè)（有限合伙）、勻熵智能科技（無錫）有限公司、無錫市新吳區(qū)中醫(yī)醫(yī)院、徐州醫(yī)科大學(xué)、無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院、熙羽智能科技（無錫）有限公司。本文件主要起草人：丁盛、姜華、沈蘭、李書艷、夏有兵、李書元、彭永強、楊紅磊、張瑩瑩、張雪洋、任單會。1T/CCSCIOT0007—2023學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)要求本文件規(guī)定了用于結(jié)合傳統(tǒng)座椅應(yīng)用場景下的學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程。本文件適用于結(jié)合傳統(tǒng)座椅應(yīng)用場景下的學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和運維。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T29433–2012學(xué)生心理健康教育指南GB/T33745–2017物聯(lián)網(wǎng)術(shù)語3術(shù)語和定義GB/T29433-2012和GB/T33745–2017界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1心理健康mentalhealth針對人的思維、情感、行為等方面的一種綜合評估。3.2光纖傳感器opticalfibersensor一種將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的傳感器。3.3機器學(xué)習(xí)machinelearning一種計算機從數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)規(guī)律和模式,并進行預(yù)測和決策的技術(shù)。3.4心沖擊圖ballistocardiography借助靈敏的儀器把心臟搏動所引起人體的一系列相應(yīng)周期性運動/震動記錄并描記成一種波形圖。3.5心率變異性heartratevariability連續(xù)心跳間瞬時心率的微小漲落或逐拍心跳間的微小差異，即心跳快慢的變化情況。3.6時域timedomain信號在時間軸隨時間變化的總體概括。3.7頻域frequencydomain信號在頻率方面特性時用到的一種坐標系。2T/CCSCIOT0007—20234符號和縮略語下列縮略語適用于本文件。BCG：心沖擊圖（BallistoCardioGraphy）WiFi：無線網(wǎng)絡(luò)（WirelessFidelity）4G：第四代移動通信技術(shù)（FourthGenerationwirelesstechnology）5G：第五代移動通信技術(shù)（FifthGenerationwirelesstechnology）HRV：心率變異性（HeartRateVariability）LF：低頻段（LowFrequency）HF：高頻段（HighFrequency）C/S：客戶端和服務(wù)器（Client/Server）B/S：瀏覽器和服務(wù)器（Browser/Server）SDNN：竇性心搏間標準差（StandardDiviationofNNintervals）RMSSD：相鄰周期差值均方根（RootMeanSquareofSuccessiveDifferences）PNN50：相鄰NN之差>50ms的個數(shù)占總竇性心搏個數(shù)的百分比（PercentofNN50inthetotalnumberofRRintervals）5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1結(jié)構(gòu)概述從系統(tǒng)構(gòu)成角度，學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)分為傳統(tǒng)座椅容器和數(shù)據(jù)分析平臺兩部分，以及兩者之間的無線通信接口，其中，傳統(tǒng)座椅容器應(yīng)包含信息采集和信息處理的功能模塊，數(shù)據(jù)分析平臺應(yīng)包含數(shù)據(jù)存儲、樣本集、機器學(xué)習(xí)、信息展示的功能模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.2信息采集包括光纖傳感器、壓力薄膜、加速度傳感器等應(yīng)力感知裝置，應(yīng)采集學(xué)生平靜狀態(tài)時坐在傳統(tǒng)座椅上胸腔內(nèi)心臟跳動所導(dǎo)致股動脈收縮，以及呼吸動作所導(dǎo)致臀部細微變化的壓力值。5.3信息處理應(yīng)通過數(shù)字信號處理算法將傳感器采集的原始應(yīng)力信號分解為體動、呼吸和BCG信號。對分解后的BCG信號應(yīng)通過心率變異性HRV運算得到心理健康特征參數(shù)。BCG信號即心動信號，正常的BCG與心跳同步，具有重復(fù)性，主要包含H、I、J、K、M和N波。J波是BCG周期中幅值最大點，I波和K波是J波前后時間幅值最小點，估計相鄰周期的I波、J波或K波間隔，即為心動周期；確定同周期IJ幅值和JK幅度，即為心臟泵血的收縮力大小，信號分析見圖2。3T/CCSCIOT0007—2023圖2標準BCG信號圖5.4無線通信包括WiFi、藍牙、4G/5G等無線通信手段,應(yīng)將信息處理的結(jié)果傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分析平臺。5.5數(shù)據(jù)存儲可采用非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫存儲傳統(tǒng)座椅容器上傳的實時狀態(tài)特征參數(shù)，可采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫存儲機器學(xué)習(xí)計算過程中的特征值和信息展示最終呈現(xiàn)的心理健康指標。5.6樣本集可預(yù)先收集大量帶標簽的樣本集合供機器學(xué)習(xí)比對使用。注：樣本是不同學(xué)生通過智能物聯(lián)網(wǎng)采集的心理健康參數(shù)，標簽是通過專業(yè)醫(yī)療檢驗方式確認的心理健康指標。5.7機器學(xué)習(xí)應(yīng)建立機器學(xué)習(xí)模型，基于樣本集的先驗知識，對上傳平臺的學(xué)生狀態(tài)特征參數(shù)進行分析計算，得到最終呈現(xiàn)給用戶的心理健康狀態(tài)指標。5.8信息展示可基于C/S或B/S架構(gòu)，通過手機/平板/電腦和大屏等媒質(zhì)，以文字和報表形式展示心理健康信息。6工作流程6.1流程概述學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行工作的流程如圖3所示。4T/CCSCIOT0007—2023圖3學(xué)生心理健康監(jiān)測智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作流程圖6.2傳統(tǒng)座椅容器工作流在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的傳統(tǒng)座椅容器中進行的工作流程有：a)座椅的傳感器需要放置在學(xué)生坐下時臀部的正下方位置，可緊密耦合安裝在座椅底部背面，也可放置在柔軟的坐墊下，更好的采集軀體垂直方向及股動脈幅度大的振動信號;b)用戶坐在座椅上放松聽講，傳感器采集人體微弱體動信號；c)可將幅度突變的信號濾出為體動信號，計算單位時間內(nèi)的體動次數(shù)；d)應(yīng)通過頻域濾波從振動信號中濾出BCG信號，匹配BCG信號中的IJK波群信號標定IJK位置，每個5分鐘時間窗口內(nèi)組建II、JJ、KK點時間間隔序列TII、TJJ、TKK，以及IJ、JK相鄰幅度差值序列SIJ、SJK，具體方法可參考附錄A；e)應(yīng)通過TJJ序列，兩個J點時間間隔即為一次心跳的時間，計算時間窗內(nèi)心跳相關(guān)參數(shù)，具體方法可參考附錄A；f)應(yīng)通過頻域濾波從振動信號中濾出呼吸信號，可采用峰值查找算法標定呼吸信號周期峰值，組建峰值點時間間隔序列，兩個峰值點時間間隔即為一次呼吸的時間，計算時間窗內(nèi)呼吸相關(guān)參數(shù)，具體方法可參考附錄A。6.3數(shù)據(jù)分析平臺工作流在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)分析平臺中進行的工作流程有：a）應(yīng)將傳統(tǒng)座椅容器傳輸過來的數(shù)據(jù)保存，有呼吸相關(guān)參數(shù)，包括但不限于平均呼吸率、基準呼吸率、最高呼吸率，最低呼吸率；有心跳相關(guān)參數(shù)，包括但不限于平均心率，基準心率、最高心率，最低心率；有BCG信號形態(tài)相關(guān)參數(shù)，包括但不限于5分鐘時間窗口內(nèi)的TII、TJJ、TKK、SIJ、SJK序列；5T/CCSCIOT0007—2023b）應(yīng)將所有無線接收數(shù)據(jù)作為特征值，輸入已訓(xùn)練好的機器學(xué)習(xí)模型進行持續(xù)學(xué)習(xí)，輸出實時的計算結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中；c）機器學(xué)習(xí)模型需要預(yù)先進行監(jiān)督訓(xùn)練，輸入不低于1000條不同心理健康狀態(tài)的特征值樣本集，心理健康狀態(tài)由具備醫(yī)療器械資質(zhì)的精神壓力分析儀器給出；d）學(xué)生課程結(jié)束離開座椅，傳感器監(jiān)測不到壓力信號，一個周期的心理健康監(jiān)測結(jié)束；e）應(yīng)在30秒內(nèi)結(jié)束機器學(xué)習(xí)過程，輸出最終參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，形成心理健康評估報告，通過多種人機交互模式展示給用戶。6.4心理健康評估報告最終呈現(xiàn)給用戶的心理健康評估報告的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)監(jiān)測要求制定，至少包括以下要素，通過信息展示模塊進行交互。a）學(xué)生基本信息（姓名，性別、年齡、身高、體重、班級、既往病史）；b）時間段內(nèi)體動總次數(shù)，每分鐘體動次數(shù)；c）時間段內(nèi)心率實時數(shù)據(jù)圖，平均心率，基準心率、最高心率，最低心率；d）時間段內(nèi)呼吸率實時數(shù)據(jù)圖，平均呼吸率，基準呼吸率、最高呼吸率，最低呼吸率；e）心率功率譜密度圖；f）心率散點圖；g）SDNN值，RMSSD值，PNN50值，LF值，HF值，LF/HF值；h）精神壓力水平，心臟健康水平。6T/CCSCIOT0007—2023傳統(tǒng)座椅容器里的傳感器采集到學(xué)生平穩(wěn)坐姿下的時域壓力波形如圖A.1所示，其中大幅度跳變的信號為人體在座椅上大幅度挪動身體造成的。圖A.1原始信號波形圖去除掉體動干擾信號數(shù)據(jù)點，根據(jù)周圍正常信號擬合出體動干擾時間段的替代信號，取其中6秒鐘信號放大后如圖A.2(a)所示：圖A.2去除體動干擾信號波形圖圖A.2(a)形是由呼吸時胸腔起伏和心動股動脈舒張收縮同時造成，由于正常人的呼吸率正常范圍是每分鐘1230次，心率正常范圍是每分鐘60100次，兩者不在同一范圍，通過信息處理模塊進行頻域濾波處理，分離出兩種時域信號，分別為圖A.2(b)的呼吸信號，圖A.2(c)的心動信號。呼吸信號呈現(xiàn)周期的波峰波谷形態(tài)，可以采用自動多尺度峰值查找算法確定信號峰值位置，如圖A.3所示，從而計算出時間窗內(nèi)呼吸相關(guān)參數(shù)。7T/CCSCIOT0007—2023圖A.3呼吸信號波峰標定實際的心跳信號呈現(xiàn)周期性的BCG信號形態(tài)，可以采用IJK波群標定算法確定IJK三個點位置，如圖A.5所示，從而計算出TII、TJJ、TKK、SIJ、SJK序列。圖A.5心跳信號IJK點標定應(yīng)根據(jù)心率變異性理論，將TJJ序列截取成多段5分鐘序列，可得到下述的特征值序列，作為特征值供機器學(xué)習(xí)模塊使用。SDNN是心跳間期標準差，RMSSD是相鄰兩個心跳間期的平方差值的平方根，PNN50是相鄰兩個心跳間期的差值＞50ms的比例，三個時域指標都反映了心臟自主性調(diào)節(jié)的能力；頻域的指標LF是由迷走神經(jīng)介導(dǎo)，HF是由交感和迷走神經(jīng)共同介導(dǎo)的，LF/HF表示交感迷走神經(jīng)的均衡性。移動滑動窗口，再次計算下一個5分鐘時間窗的SDNN、RMSSD、PNN50、LFN、HF、LF/HF數(shù)值組成序列，作為特征值輸入已訓(xùn)練好機器學(xué)習(xí)模型。上述所有的特征值均需要存入數(shù)據(jù)庫。8T/CCSCIOT0007—2023參考文獻[1]GB40165-2021固定式電子設(shè)備用鋰離子電池和電池組安全技術(shù)規(guī)范[2]GB/T13869-2017用電安全導(dǎo)則[3]GB/T33213-2016無損檢測基于光纖傳感技術(shù)的應(yīng)力監(jiān)測方法[4]GB/T37733.1-2019傳感器網(wǎng)絡(luò)個人健康狀態(tài)遠程監(jiān)測第1部分：總體技術(shù)要求[5]GB/T33750-2017物聯(lián)網(wǎng)標準化工作指南[6]GB/T39223.4-2020健康家居的人類工效學(xué)要求第4部分：兒童桌椅[7]GB/T42574-2023信息安全技術(shù)個人信息處理中告知和同意的實施指南[8]Scholkmann,F.;Boss,J.;Wolf,M.AnEfficientAlgorithmforAutomaticPeakDetectioninNoisyPeriodicandQuasi-PeriodicSignals.Algorithms2012,5,588-603./10.3390/a5040588[9]A.Suliman,C.Carlson