舰载机飞行员心理应激水平评估系统研究*

（海军航空大学教练机模拟训练中心 葫芦岛 125001）

1 引言

舰载机飞行员在起飞、着舰及海洋舰船环境会给飞行员心理健康造成特殊影响，对其生理心理能力提出了特殊要求。因此，在对飞行监测比较困难的情况下，展开对舰载机飞行员心理测量评估系统研究就显得尤为重要。

舰载飞行与陆基飞行存在显著差异，作业风险比陆基飞行大得多。舰载飞行起飞降落跑道只有常规陆基的1/10，滑跃起飞、阻拦着舰操控难度大；特殊的水平加速度对飞行员脊柱、视觉、心肺等系统造成特殊的生物力学作用，产生特殊的结构及功能影响；特殊环境、特殊作业导致的极高应激作用对飞行员心理造成极大的影响。此外，长期驻舰海洋环境和孤独感会给舰载战斗机飞行员带来航海航空双重因素影响。目前，我国在舰载机飞行员心理生理测评方面，无论是理论研究还是实践都才刚刚起步，几乎是一片空白。在测评理论、内容、方法手段等方面，既不能单纯地照搬陆基飞行员和舰艇人员的模式，更不能将二者简单地结合起来。

在对舰载机飞行员模拟训练生理心理指标进行跟踪的基础上，本文基于心理应激能力评估方法，设计舰载机飞行员飞行训练心理反应评估系统。

2 评估系统设计

利用机载生理学设备记录下飞行员在飞行过程中心理生理变化情况，飞行结束后，将记录数据进行生理学信号转化分析，并进行数据预处理和特征提取。数据评估可以综合使用图谱分析和数理统计的方法。图谱分析中，主要分析生理信号数据的图谱指标，如反应振幅、持续时间、反应速度、面积等比较指标；数理统计中，主要是分析均值、标准差，贝叶斯算法等。通过模糊综合评判方法，对不同数据类型和评估方法，进行综合评判，并得出结论。

图1 系统框架图

3 分系统原理及设计

3.1 机载生理学设备分系统

生理学分系统主要是采用市场上比较成熟可靠的设备，比如生理传感、眼动追踪技术等，本系统采用的是主要使用生理传感多导生理信号记录仪，将其应用于舰载机飞行员生理应激评估流程当中，通过客观的生理数据采集和分析来探究生理心理变化情况。本文在研究过程当中，出于飞行安全考虑，主要采用心电Holter对飞行员心率进行记录。

3.2 数据预处理和特征提取分系统

3.2.1 数据预处理和特征提取介绍

数据预处理主要是对所收集的数据进行分类和分组，从原始数据的完整性和准确性两个方面来审核，以免出现遗漏或者错误，造成数据的缺失和不准确。

在数据预处理之前，需要分析数据的特征并定义数据预处理规则，为了保证特征提取和处理的质量，在处理结束后，还需要验证处理结果。数据的分析是根据相关的业务知识和相应的技术，如统计学、图谱分析等方法，分析出数据源中数据的特点，为定义数据处理规则奠定基础。

在数据预处理结果验证中，需要对定义的预处理转换规则的正确性和效率进行验证和评估，当不满足数据预处理要求时要对数据预处理和特征提取规则进行调整和改进，数据预处理过程中往往需要多次迭代进行分析，设计和验证。

3.2.2 数据预处理和特征提取方法

针对数据中存在的不同问题，有不同的处理方法。

1）空值数据直接删除法。顾名思义，直接删除法就是遇到空值数据时，直接删除包含空值的记录。这种方式主要是针对包含空值的数据占总体比例较低，删除这些数据对于数据整体影响不大。

2）自动补全方法。这种方法通过统计学原理，根据数据集中记录的取值分布情况来对一个空值进行自动填充，可以用平均值，最大值，最小值等基于统计学的客观知识来填充字段。这种方法简单，但是并不可靠，因为存在偏离数据原始分布信息的问题，无法发现所处理数据隐藏的真实信息。

3）手工的补全缺失值。这种方法就是人工补充数据的缺失值，因此操作起来非常费时，也不适用于大数据量，而且如果对空值进行了不正确的填充，往往将新的噪声引入数据中，影响数据分析和评估的正确结果。

4）不一致数据预处理方法。在实际生成的数据库中，由于不可预知的原因，使得记录的数据存在不一致的情况。这种不一致的数据预处理方法，主要在分析不一致产生原因的基础上，利用各种变换函数，格式化函数，汇总分解函数去实现处理。

5）噪声数据的处理方法。一是分箱法，通过分析对比周围数据值来光滑存储的数据值。二是回归法，使用拟合数据函数来光滑数据。三是聚类法，使用聚类来检测离群点，将相似的样本归为一个类簇，簇内极其相似而簇间极不相似，则落在簇之外的样本被直接视为离群点。

3.3 数据评估分系统

数据评估分系统包含数据分析与评估两个阶段，数据分析是对经过预处理数据进行分析，然后交给专家智能库进行评估。

3.3.1 模糊评估法介绍

模糊评估法依据模糊数学隶属度理论构建隶属函数与模糊关系矩阵，把定性评估转化为定量评估，即用模糊数学模型对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价，能较好地分析出舰载机飞行员心理生理变化特点。

3.3.2 模糊评估模型的建立及步骤

模糊评估方法步骤主要分为六步：确定评估对象的因素论域，确定评估等级论域，建立模糊关系矩阵，确定评估因素权向量，合成模糊评估结果向量，模糊评估结果向量分析。

本文对飞行员影响因素主要是心率、血压、皮肤电、体温、动作五个要素。

1）确定评估对象因素论域：

2）确定评估等级论域：

3）建立模糊关系矩阵：

矩阵R中第i行第j列元素，表示ui从因素来看对vj等级模糊子集的隶属度。

4）确定评估因素权向量

评估工作中，各因素的重要程度有所不同，为此，给各因素一个权重，各因素的权重集合的模糊集，用A表示。

确定权重的方法有很多种，本系统采用专家估计法。

5）合成模糊评估结果向量

利用合成算子A和关系矩阵R合成得到合成模糊评估结果向量B。

6）模糊评估结果向量分析

模糊评估结果向量分析有两种方法，一是最大隶属度原则，二是加权平均求隶属等级的方法，两种方法各有利弊，但在实际应用中，大多采用最大隶属度原则。

4 实践验证

飞行员心理生理数据收集是一个很严谨复杂的过程，在处理不当情况下可能会威胁到飞行员的生命安全，因此在保证绝对安全的前提下，本文利用该系统只对舰载机飞行员着舰过程进行心率数据采集分析。

对飞行员的地面冲索和空中光学引导飞行过程中的生理心理变化情况进行跟踪监测，取得以下结果。

1）地面冲索及空中冲索过程中，在挂索瞬间在腰部产生的由胸向背的水平负加速度（-Gx）达3.9G～4.6G（见图 2、图 3），其头颈部则承受超过5.0G的-Gx；水平负加速度增速达16G/s，持续作用时间超过4.0s。

图2 地面冲索飞行员承受的水平加速度

图3 空中挂索飞行员承受的载荷

2）在地面挂索和空中光学引导试验飞行过程中，飞行员表现出十分激剧的生理心理状态变化，挂索瞬间心率最快达170次/分（见表1、表2），空中光学引导心率最快达150次/分（见表3、见表4），对比平静时心率，增加幅度均超过130%（见表5）。

表1 不同飞行员地面冲索试验心率变化规律

表2 不同训练次数地面冲索试验心率变化规律

表3 不同飞行员引导下滑试验心率变化规律

表4 不同训练次数引导下滑试验心率变化规律

表5 空中挂索飞行员心率变化情况

3）经过连续飞行观察，无论是在地面挂索试验还是空中光学引导飞行后，飞行员的生理心理应激度状态均显示出逐渐下降的趋势。如图4所示，多次训练促进了飞行员心理应激水平的降低。

图4 地面冲索试验最大心率变化趋势

通过系统对以上数据进行分析处理，得出模糊评估结果。结果表明，飞行员在空中挂索等飞行过程中，处于高度应激的状态，心率接近或达到运动极限检测的水平，可以评定为心理高应激状态。在这种应激水平状态下，或可能引起心脏泵血能力下降，心搏出量不足以满足心脑等重要器官的供血需求，从而造成注意力下降、反应时延长、运动速率降低、视觉听觉障碍甚至空中意识丧失等危险情况。应针对这种可能存在的危险进行针对性的心理疏导和专业训练，预防由此引起的身体不适可能带来的恐惧心理和事故隐患。

5 结语

开展舰载战斗机飞行员心理测评系统研究，掌握他们在不同飞行状态下心理变化规律，对飞行员进行客观、科学、准确、系统的评价，对飞行员心理品质进行跟踪，对于预防飞行风险、保证飞行安全具有非常重要的意义；同时，舰载战斗机飞行员培训保障费用极高，通过开展舰载战斗机飞行员心理测评系统的研究，可为制定舰载战斗机飞行员选拔标准提供重要依据，以提高飞行员上舰飞行成功率，军事和经济效益显著。