飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)引入生理信息的方法探討

謝吉朋，吳 斌，應(yīng)艷麗

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)依據(jù)訓(xùn)練大綱及某型飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)，結(jié)合人工判分經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)︼w行成績(jī)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確評(píng)定。由于影響飛行訓(xùn)練的因素很多，包括飛行員判斷信息的能力、操控的熟練程度以及生理心理狀態(tài)等，面對(duì)三代機(jī)以上高機(jī)動(dòng)、長(zhǎng)航時(shí)、大載荷的機(jī)動(dòng)飛行作戰(zhàn)訓(xùn)練，飛行員所需具備的生理心理品質(zhì)要求更高。軍事飛行學(xué)員（飛行學(xué)員）的情感、情緒等生理心理品質(zhì)，是影響飛行安全的重要因素?，F(xiàn)有的飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)只評(píng)判出飛行成績(jī)，但沒有體現(xiàn)出飛行員的生理狀態(tài)。探討在飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)中引入生理信息的方法，通過采集心率、呼吸率、心電以及呼吸波等生理信息，對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行特征提取、特征融合及挖掘分析，分析飛行成績(jī)與生理狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)之間相關(guān)性，我們可以了解飛行員飛行水平與生理狀態(tài)之間的關(guān)系。因而飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)引入生理信息并及時(shí)掌握飛行員生理狀態(tài)具有十分重要的意義。

1 生理信息采集

人體的生理信號(hào)可以劃分為兩類：其中一類生理信號(hào)是與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)，包括眼電信號(hào)、腦電信號(hào)、大腦的磁場(chǎng)活動(dòng)和新陳代謝活動(dòng)等；另一類生理信號(hào)則與周圍神經(jīng)系統(tǒng)相聯(lián)系，包括心電信號(hào)、皮電信號(hào)、體表溫度、呼吸信號(hào)和瞳孔直徑等。飛行員生理心理信息監(jiān)測(cè)記錄采用可穿戴的裝備，主要包括腰帶式和頭戴式可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝備。生理腰帶可實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄心電、呼吸、三相加速度等參數(shù)，帽式可測(cè)量和記錄頭部脈搏信號(hào)和血氧飽和度。

腰帶式裝備檢測(cè)呼吸、心電以及三相加速度，頭戴式裝備檢測(cè)脈搏信號(hào)和血氧飽和度；腰帶式裝備和頭戴式裝備聯(lián)合工作，共同組成一體化測(cè)量裝備。腰帶式裝備和頭戴式裝備之間利用無線方式連接，并由腰帶式裝備負(fù)責(zé)供電和數(shù)據(jù)傳輸。

腰帶式裝備中，利用聚偏二氟乙烯材料的壓電特性，實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)的測(cè)量，接口電路采用電荷-電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，去除引線長(zhǎng)度、位置變化和空間電磁波帶來的干擾；采用合適的材料制作心電電極，采用抗極化電勢(shì)的前級(jí)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非黏貼接觸式的心電測(cè)量。

頭戴式裝備中，通過研究光子在人體組織中的傳播，吸收和漫反射機(jī)制，采用額頭光反射式方法以及數(shù)字濾波技術(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)量脈搏信號(hào)，并利用朗伯-比爾定律計(jì)算血氧飽和度；血氧飽和度標(biāo)定采用血氧模擬儀。

2 生理數(shù)據(jù)挖掘建模

基于生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝備采集到的飛行員飛行訓(xùn)練生理信號(hào)數(shù)據(jù)，針對(duì)生理信號(hào)的特點(diǎn)采用小波函數(shù)進(jìn)行生理信號(hào)的預(yù)處理，進(jìn)一步對(duì)預(yù)處理后的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行多種特征融合，并對(duì)生理信息特征數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類挖掘分析，為構(gòu)建個(gè)性化生理狀態(tài)評(píng)估分析模型及建立飛行成績(jī)與生理狀態(tài)評(píng)估數(shù)據(jù)之間相關(guān)性提供理論支撐。

2.1 生理信號(hào)預(yù)處理

生理信號(hào)的預(yù)處理方法主要包括傅里葉變換、小波變換等方法。由于采集得到的原始生理信號(hào)均不同程度的存在工頻干擾、基線漂移等噪聲干擾，因此需要使用小波變換理論對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

小波分析是對(duì)時(shí)間和頻率的局部變換，通過伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時(shí)間分辨率，因而能夠有效的從信號(hào)中提取信息。

設(shè)小波函數(shù)φ（t），滿足條件：

稱φ（t）為母小波函數(shù)或小波基，經(jīng)過平移伸縮后得到函數(shù)系：

φ（t）構(gòu)成平方可積空間L（R）的一組正交基。函數(shù)f（t）∈L（R）的小波變換定義為：

其中，a為尺度因子，大尺度的小波變換包含信號(hào)的低頻成分，小尺度小波變換則包含信號(hào)的高頻成分；τ為平移因子，是關(guān)于時(shí)間的系數(shù)，決定小波變換的時(shí)域信息，因兩者值的變化呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，所以φ（t）被稱為連續(xù)的小波基函數(shù)。

f（t）滿足平方可積條件，且f（t）∈L（R），該公式的連續(xù)小波變換為

其中，φ（t）為小波函數(shù)，φ（t）為它的復(fù)共軛函數(shù)。

針對(duì)預(yù)處理后的生理信息，結(jié)合每種生理信號(hào)的特點(diǎn)，進(jìn)一步提取生理信息特征并進(jìn)行特征融合。

2.2 聚類挖掘建模

局部密度計(jì)算：

其中，

參數(shù)d>0為截?cái)嗑嚯x，需預(yù)先指定。

則可定義：

當(dāng)X具有最大局部密度時(shí)，μ表示S中距離X最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)與X之間的距離；同理，μ表示在所有局部密度大于X的數(shù)據(jù)中，距離X最小的數(shù)據(jù)點(diǎn)與X之間的距離。

針對(duì)某段模擬生理特征數(shù)據(jù)，通過聚類挖掘分析，將數(shù)據(jù)聚類成四種生理狀態(tài)，即condition-1、condition-2、condition-3、condition-4，分別對(duì)應(yīng)四種不同的生理狀態(tài)，如圖1所示?；谏頂?shù)據(jù)聚類挖掘分析結(jié)果進(jìn)行分類建模，構(gòu)建生理狀態(tài)評(píng)估模型。

圖1 生理數(shù)據(jù)聚類分析圖

3 飛行成績(jī)與生理狀態(tài)之間相關(guān)性

飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)能夠根據(jù)飛行規(guī)則和飛行階段實(shí)現(xiàn)飛行成績(jī)的自動(dòng)評(píng)定功能。一次完整的飛行訓(xùn)練任務(wù)過程分為起飛滑跑、爬升、巡航、下降、進(jìn)場(chǎng)著陸等幾個(gè)階段。在不同的飛行階段，所需采集的飛行參數(shù)以及參數(shù)所占的權(quán)重是各不相同的。表1顯示的是五個(gè)飛行階段及各階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 各飛行階段指標(biāo)

針對(duì)各飛行階段的飛行員生理數(shù)據(jù)，分別訓(xùn)練分類模型，結(jié)合飛行成績(jī)，得出飛行員在各飛行階段飛行成績(jī)和生理狀態(tài)，建立單個(gè)飛行員的飛行成績(jī)與其生理狀態(tài)的相關(guān)性。

針對(duì)同一飛行階段的不同飛行員生理數(shù)據(jù)，通過聚集挖掘分析建模，結(jié)合飛行成績(jī)，得出優(yōu)秀與一般飛行員的生理狀態(tài)的差異性，在加強(qiáng)飛行訓(xùn)練過程中，還需重點(diǎn)關(guān)注一般飛行員的生理狀態(tài)。

通過分析每一個(gè)飛行階段的飛行員生理狀態(tài)，能夠判別出飛行成績(jī)的優(yōu)劣與生理狀態(tài)的差異性，對(duì)于飛行成績(jī)比較差的某飛行階段，生理狀態(tài)表現(xiàn)異常，有針對(duì)性的加強(qiáng)生理訓(xùn)練，以提高飛行員生理素質(zhì)。

4 結(jié)語

本文對(duì)飛行員生理狀態(tài)在飛行訓(xùn)練過程中的意義進(jìn)行了陳述，并闡述了生理信號(hào)劃分原則，以及分析了兩種可穿戴生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝備的生理信息采集原理，即腰帶式和頭戴式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)裝備。通過采集心率、呼吸率、心電以及呼吸波等生理信息，提出了基于小波分析和聚類挖掘分析算法評(píng)估飛行員飛行水平與生理狀態(tài)關(guān)聯(lián)性的技術(shù)路線，為實(shí)現(xiàn)飛行訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)引入生理信息提供一種方法借鑒。