艦載機(jī)飛行員心理應(yīng)激水平評(píng)估系統(tǒng)研究*

（海軍航空大學(xué)教練機(jī)模擬訓(xùn)練中心 葫蘆島 125001）

1 引言

艦載機(jī)飛行員在起飛、著艦及海洋艦船環(huán)境會(huì)給飛行員心理健康造成特殊影響，對(duì)其生理心理能力提出了特殊要求。因此，在對(duì)飛行監(jiān)測(cè)比較困難的情況下，展開(kāi)對(duì)艦載機(jī)飛行員心理測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)研究就顯得尤為重要。

艦載飛行與陸基飛行存在顯著差異，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)比陸基飛行大得多。艦載飛行起飛降落跑道只有常規(guī)陸基的1/10，滑躍起飛、阻攔著艦操控難度大；特殊的水平加速度對(duì)飛行員脊柱、視覺(jué)、心肺等系統(tǒng)造成特殊的生物力學(xué)作用，產(chǎn)生特殊的結(jié)構(gòu)及功能影響；特殊環(huán)境、特殊作業(yè)導(dǎo)致的極高應(yīng)激作用對(duì)飛行員心理造成極大的影響。此外，長(zhǎng)期駐艦海洋環(huán)境和孤獨(dú)感會(huì)給艦載戰(zhàn)斗機(jī)飛行員帶來(lái)航海航空雙重因素影響。目前，我國(guó)在艦載機(jī)飛行員心理生理測(cè)評(píng)方面，無(wú)論是理論研究還是實(shí)踐都才剛剛起步，幾乎是一片空白。在測(cè)評(píng)理論、內(nèi)容、方法手段等方面，既不能單純地照搬陸基飛行員和艦艇人員的模式，更不能將二者簡(jiǎn)單地結(jié)合起來(lái)。

在對(duì)艦載機(jī)飛行員模擬訓(xùn)練生理心理指標(biāo)進(jìn)行跟蹤的基礎(chǔ)上，本文基于心理應(yīng)激能力評(píng)估方法，設(shè)計(jì)艦載機(jī)飛行員飛行訓(xùn)練心理反應(yīng)評(píng)估系統(tǒng)。

2 評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用機(jī)載生理學(xué)設(shè)備記錄下飛行員在飛行過(guò)程中心理生理變化情況，飛行結(jié)束后，將記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行生理學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取。數(shù)據(jù)評(píng)估可以綜合使用圖譜分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法。圖譜分析中，主要分析生理信號(hào)數(shù)據(jù)的圖譜指標(biāo)，如反應(yīng)振幅、持續(xù)時(shí)間、反應(yīng)速度、面積等比較指標(biāo)；數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，主要是分析均值、標(biāo)準(zhǔn)差，貝葉斯算法等。通過(guò)模糊綜合評(píng)判方法，對(duì)不同數(shù)據(jù)類型和評(píng)估方法，進(jìn)行綜合評(píng)判，并得出結(jié)論。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 分系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)載生理學(xué)設(shè)備分系統(tǒng)

生理學(xué)分系統(tǒng)主要是采用市場(chǎng)上比較成熟可靠的設(shè)備，比如生理傳感、眼動(dòng)追蹤技術(shù)等，本系統(tǒng)采用的是主要使用生理傳感多導(dǎo)生理信號(hào)記錄儀，將其應(yīng)用于艦載機(jī)飛行員生理應(yīng)激評(píng)估流程當(dāng)中，通過(guò)客觀的生理數(shù)據(jù)采集和分析來(lái)探究生理心理變化情況。本文在研究過(guò)程當(dāng)中，出于飛行安全考慮，主要采用心電Holter對(duì)飛行員心率進(jìn)行記錄。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取分系統(tǒng)

3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取介紹

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和分組，從原始數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性兩個(gè)方面來(lái)審核，以免出現(xiàn)遺漏或者錯(cuò)誤，造成數(shù)據(jù)的缺失和不準(zhǔn)確。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理之前，需要分析數(shù)據(jù)的特征并定義數(shù)據(jù)預(yù)處理規(guī)則，為了保證特征提取和處理的質(zhì)量，在處理結(jié)束后，還需要驗(yàn)證處理結(jié)果。數(shù)據(jù)的分析是根據(jù)相關(guān)的業(yè)務(wù)知識(shí)和相應(yīng)的技術(shù)，如統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖譜分析等方法，分析出數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，為定義數(shù)據(jù)處理規(guī)則奠定基礎(chǔ)。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果驗(yàn)證中，需要對(duì)定義的預(yù)處理轉(zhuǎn)換規(guī)則的正確性和效率進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，當(dāng)不滿足數(shù)據(jù)預(yù)處理要求時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取規(guī)則進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中往往需要多次迭代進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

3.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取方法

針對(duì)數(shù)據(jù)中存在的不同問(wèn)題，有不同的處理方法。

1）空值數(shù)據(jù)直接刪除法。顧名思義，直接刪除法就是遇到空值數(shù)據(jù)時(shí)，直接刪除包含空值的記錄。這種方式主要是針對(duì)包含空值的數(shù)據(jù)占總體比例較低，刪除這些數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)整體影響不大。

2）自動(dòng)補(bǔ)全方法。這種方法通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，根據(jù)數(shù)據(jù)集中記錄的取值分布情況來(lái)對(duì)一個(gè)空值進(jìn)行自動(dòng)填充，可以用平均值，最大值，最小值等基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的客觀知識(shí)來(lái)填充字段。這種方法簡(jiǎn)單，但是并不可靠，因?yàn)榇嬖谄x數(shù)據(jù)原始分布信息的問(wèn)題，無(wú)法發(fā)現(xiàn)所處理數(shù)據(jù)隱藏的真實(shí)信息。

3）手工的補(bǔ)全缺失值。這種方法就是人工補(bǔ)充數(shù)據(jù)的缺失值，因此操作起來(lái)非常費(fèi)時(shí)，也不適用于大數(shù)據(jù)量，而且如果對(duì)空值進(jìn)行了不正確的填充，往往將新的噪聲引入數(shù)據(jù)中，影響數(shù)據(jù)分析和評(píng)估的正確結(jié)果。

4）不一致數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。在實(shí)際生成的數(shù)據(jù)庫(kù)中，由于不可預(yù)知的原因，使得記錄的數(shù)據(jù)存在不一致的情況。這種不一致的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，主要在分析不一致產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，利用各種變換函數(shù)，格式化函數(shù)，匯總分解函數(shù)去實(shí)現(xiàn)處理。

5）噪聲數(shù)據(jù)的處理方法。一是分箱法，通過(guò)分析對(duì)比周圍數(shù)據(jù)值來(lái)光滑存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值。二是回歸法，使用擬合數(shù)據(jù)函數(shù)來(lái)光滑數(shù)據(jù)。三是聚類法，使用聚類來(lái)檢測(cè)離群點(diǎn)，將相似的樣本歸為一個(gè)類簇，簇內(nèi)極其相似而簇間極不相似，則落在簇之外的樣本被直接視為離群點(diǎn)。

3.3 數(shù)據(jù)評(píng)估分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)評(píng)估分系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)分析與評(píng)估兩個(gè)階段，數(shù)據(jù)分析是對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后交給專家智能庫(kù)進(jìn)行評(píng)估。

3.3.1 模糊評(píng)估法介紹

模糊評(píng)估法依據(jù)模糊數(shù)學(xué)隸屬度理論構(gòu)建隸屬函數(shù)與模糊關(guān)系矩陣，把定性評(píng)估轉(zhuǎn)化為定量評(píng)估，即用模糊數(shù)學(xué)模型對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)，能較好地分析出艦載機(jī)飛行員心理生理變化特點(diǎn)。

3.3.2 模糊評(píng)估模型的建立及步驟

模糊評(píng)估方法步驟主要分為六步：確定評(píng)估對(duì)象的因素論域，確定評(píng)估等級(jí)論域，建立模糊關(guān)系矩陣，確定評(píng)估因素權(quán)向量，合成模糊評(píng)估結(jié)果向量，模糊評(píng)估結(jié)果向量分析。

本文對(duì)飛行員影響因素主要是心率、血壓、皮膚電、體溫、動(dòng)作五個(gè)要素。

1）確定評(píng)估對(duì)象因素論域：

2）確定評(píng)估等級(jí)論域：

3）建立模糊關(guān)系矩陣：

矩陣R中第i行第j列元素，表示ui從因素來(lái)看對(duì)vj等級(jí)模糊子集的隸屬度。

4）確定評(píng)估因素權(quán)向量

評(píng)估工作中，各因素的重要程度有所不同，為此，給各因素一個(gè)權(quán)重，各因素的權(quán)重集合的模糊集，用A表示。

確定權(quán)重的方法有很多種，本系統(tǒng)采用專家估計(jì)法。

5）合成模糊評(píng)估結(jié)果向量

利用合成算子A和關(guān)系矩陣R合成得到合成模糊評(píng)估結(jié)果向量B。

6）模糊評(píng)估結(jié)果向量分析

模糊評(píng)估結(jié)果向量分析有兩種方法，一是最大隸屬度原則，二是加權(quán)平均求隸屬等級(jí)的方法，兩種方法各有利弊，但在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用最大隸屬度原則。

4 實(shí)踐驗(yàn)證

飛行員心理生理數(shù)據(jù)收集是一個(gè)很嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜的過(guò)程，在處理不當(dāng)情況下可能會(huì)威脅到飛行員的生命安全，因此在保證絕對(duì)安全的前提下，本文利用該系統(tǒng)只對(duì)艦載機(jī)飛行員著艦過(guò)程進(jìn)行心率數(shù)據(jù)采集分析。

對(duì)飛行員的地面沖索和空中光學(xué)引導(dǎo)飛行過(guò)程中的生理心理變化情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，取得以下結(jié)果。

1）地面沖索及空中沖索過(guò)程中，在掛索瞬間在腰部產(chǎn)生的由胸向背的水平負(fù)加速度（-Gx）達(dá)3.9G～4.6G（見(jiàn)圖 2、圖 3），其頭頸部則承受超過(guò)5.0G的-Gx；水平負(fù)加速度增速達(dá)16G/s，持續(xù)作用時(shí)間超過(guò)4.0s。

圖2 地面沖索飛行員承受的水平加速度

圖3 空中掛索飛行員承受的載荷

2）在地面掛索和空中光學(xué)引導(dǎo)試驗(yàn)飛行過(guò)程中，飛行員表現(xiàn)出十分激劇的生理心理狀態(tài)變化，掛索瞬間心率最快達(dá)170次/分（見(jiàn)表1、表2），空中光學(xué)引導(dǎo)心率最快達(dá)150次/分（見(jiàn)表3、見(jiàn)表4），對(duì)比平靜時(shí)心率，增加幅度均超過(guò)130%（見(jiàn)表5）。

表1 不同飛行員地面沖索試驗(yàn)心率變化規(guī)律

表2 不同訓(xùn)練次數(shù)地面沖索試驗(yàn)心率變化規(guī)律

表3 不同飛行員引導(dǎo)下滑試驗(yàn)心率變化規(guī)律

表4 不同訓(xùn)練次數(shù)引導(dǎo)下滑試驗(yàn)心率變化規(guī)律

表5 空中掛索飛行員心率變化情況

3）經(jīng)過(guò)連續(xù)飛行觀察，無(wú)論是在地面掛索試驗(yàn)還是空中光學(xué)引導(dǎo)飛行后，飛行員的生理心理應(yīng)激度狀態(tài)均顯示出逐漸下降的趨勢(shì)。如圖4所示，多次訓(xùn)練促進(jìn)了飛行員心理應(yīng)激水平的降低。

圖4 地面沖索試驗(yàn)最大心率變化趨勢(shì)

通過(guò)系統(tǒng)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出模糊評(píng)估結(jié)果。結(jié)果表明，飛行員在空中掛索等飛行過(guò)程中，處于高度應(yīng)激的狀態(tài)，心率接近或達(dá)到運(yùn)動(dòng)極限檢測(cè)的水平，可以評(píng)定為心理高應(yīng)激狀態(tài)。在這種應(yīng)激水平狀態(tài)下，或可能引起心臟泵血能力下降，心搏出量不足以滿足心腦等重要器官的供血需求，從而造成注意力下降、反應(yīng)時(shí)延長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)速率降低、視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)障礙甚至空中意識(shí)喪失等危險(xiǎn)情況。應(yīng)針對(duì)這種可能存在的危險(xiǎn)進(jìn)行針對(duì)性的心理疏導(dǎo)和專業(yè)訓(xùn)練，預(yù)防由此引起的身體不適可能帶來(lái)的恐懼心理和事故隱患。

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展艦載戰(zhàn)斗機(jī)飛行員心理測(cè)評(píng)系統(tǒng)研究，掌握他們?cè)诓煌w行狀態(tài)下心理變化規(guī)律，對(duì)飛行員進(jìn)行客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，對(duì)飛行員心理品質(zhì)進(jìn)行跟蹤，對(duì)于預(yù)防飛行風(fēng)險(xiǎn)、保證飛行安全具有非常重要的意義；同時(shí)，艦載戰(zhàn)斗機(jī)飛行員培訓(xùn)保障費(fèi)用極高，通過(guò)開(kāi)展艦載戰(zhàn)斗機(jī)飛行員心理測(cè)評(píng)系統(tǒng)的研究，可為制定艦載戰(zhàn)斗機(jī)飛行員選拔標(biāo)準(zhǔn)提供重要依據(jù)，以提高飛行員上艦飛行成功率，軍事和經(jīng)濟(jì)效益顯著。