一种飞行员抗应激能力精准评估方法

本发明属于心理抗应激状态评估及计算机程序，涉及一种飞行员抗应激能力精准评估方法。

背景技术：

1、保障飞航安全始终是航空业安全工作的核心所在，飞行员的抗应激反应能力对飞航任务的安全稳定执行至关重要。由于飞航任务具备不确定性，飞行员在飞行过程中需要迅速做出判断和决策，以应对突发事件和紧急情况。如果飞行员的抗应激反应能力不足，可能会对安全造成威胁，甚至导致事故发生。因此，抗应激能力建设及训练评估技术的研究，对飞行任务的顺利完成、飞行安全的保障和飞行员的健康状况均有着重要的意义。

2、飞行员的应激反应是生理与心理特征交织产生的机体反应。其中，生理特征如心电、皮肤电和体温等是实时发生且难以受到受试者主观控制的生物学信息。心理特征是受试者对客观环境、任务影响和生理心理情况的客观反馈，具有实时性、动态性与精准性。由于应激产生的原理，应激反应的产生是不可避免的，因此，飞行员心理抗应激能力的研究聚焦于飞行员的应激状态的分析与评估，以确保他们拥有应对不同情况的能力，并且在紧急情况下能够保持冷静和果断。

3、目前飞行员抗应激能力评估的方法主要分为三大技术路线：自评量表法、生化指标法和生理信号法。其中，自评量表法主要是依赖多种自评量表完成，使用量表进行度量只能给出一种定性的评估，不能精确给出抗应激水平的具体数值，并且量表的采集频率受限，无法动态地考察飞行员在不同时段内的抗应激水平。生化指标法则需要通过静脉采血后，使用光谱分析等化学性方法进行检测，数据获取的时间周期长且成本较高。当前的生理信号法，仅采用单种类型生理信号进行分析，且时间滞后性较强。因此，突破当前抗应激评价方法的局限性，开发更为精准、动态和便捷的抗应激能力评估手段，为飞行训练中飞行员的抗应激状态提供更为可靠的判断依据，对未来的航空业建设具有重要影响意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术问题，提供一种飞行员抗应激能力精准评估方法。

2、一种飞行员抗应激能力精准评估方法，包含数据采集步骤、数据预处理步骤、应激应对能力建模步骤、模型训练步骤以及模型评估步骤。

3、数据采集步骤，含有以下步骤：采集生理信号包括ppg传感器记录血容量脉搏(bvp)、心律(hr)、心搏间隔(ibi)、皮肤表面温度及皮肤电特性的波动变化。

4、数据预处理步骤，含有以下步骤：数据去噪步骤、滤波步骤、异常值消除步骤、归一化步骤、数据分段步骤及特征提取步骤。

5、数据去噪步骤，采集到的原始生理信号进行去噪处理。

6、滤波步骤，去除各种来自环境、设备和其他生理信号的噪声干扰，并突出或放大这些生理信号中需要关注的代表有价值生理信息的特定频率范围内的信号成分，使用不同频段的滤波器处理相应的生理信号，获得纯净的信号。

7、异常值消除步骤，利用滤波后的信号得出上/下阈值替换异常值。

8、归一化步骤，归一化的操作如下所示：

9、

10、数据分段步骤，将生理信号切分成长度适当的片段，在不同时间段内分析信号的变化。

11、特征提取步骤，提取每一个生理信号的时域和频域特征，组合成时域特征集xt＝[xt1，xt2..xt7]和频域特征集xf＝[xf1，xf2..xf6]。

12、时域特征包括信号的均值xt1、25％分位数xt2、75％分位数xt3、标准差xt4、均值绝对梯度xt5、hjorth复杂度xt6和higuchi分形维度xt7。

13、频域特征包括平均频谱中心频率xf1、频谱熵xf2、频谱边缘频率(sef95 xf3和sef5xf4)、功率谱密度xf5和微分熵特征xf6。

14、应激应对能力建模步骤，含有以下步骤：

15、应激应对能力外在环境建模，将用户填写的多维感知社会支持量表(mpsss)转换为外界环境支持特征集。

16、应激应对能力内在属性建模，将提取到的生理信号的时域和频域特征转换为个体内在属性特征集，表示为x＝[xt1，xf1，...，xtm，xfm]，其中m为生理信号数量。

17、模型训练步骤，含有以下步骤：将得到的特征和标签输入到时间动态卷积神经网络中，包括三个部分：时间动态编码器gf、应激能力水平预测器gy和个体域分类器gd。

18、模型评估步骤，含有以下步骤：在模型训练完成后，通过对训练好的模型预测结果与数据标签值进行比较，计算出其平均绝对误差(mae)、均方误差(mse)和均方根误差(rmse)作为评估的参考值。

19、一种飞行员抗应激能力精准评估方法，输入训练集由多个受试者经过若干次抗应激任务记录下的生理信号组成，其中个体域1到k为受试者编号，也即受试者个体域的标签，测试集中的未知个体域即本模型训练好后面向的未知受试者，不同个体域样本输入到飞行员抗应激能力精准评估模型，经过时间动态编码器进行特征提取，随后分别经历两种输出层，即应激能力水平预测器和个体域分类器，应激能力水平预测器输出受试者抗应激能力表征，根据抗应激水平打分标签，计算标签损失，并依据标签损失计算神经网络的逐层参数梯度，进行反向传播和参数优化更新，个体域分类器输出受试者个体域识别分类结果，根据受试者个体域标签，计算个体域损失，并依据个体域损失计算神经网络的逐层参数梯度，经过梯度值取相反数进行反转后，进行反向传播和参数优化更新。

20、本发明的优点是：结合了静态心理量表调查与动态生理信号采集方案，同时考虑抗应激状态随时间动态演进的客观现象以及受试个体间不同应激水平信号分布差异对飞行员整体抗应激能力评估的影响，提出了一种基于时间动态感知的飞行员抗应激能力精准评估方法。

21、本发明与现有的仅提供单次飞行任务下受试者状态定性评估的现有方法相比，本发明基于多角度静态心理量表与动态生理信号相结合的采集方案，能够实现抗应激能力的实时动态、量化的评估。此外，本发明不仅能够关注飞行员应激反应的客观生理信号变化，同时聚焦于应激反应发生时的飞行员的心理感知，可以更为全面、综合地对应激反应现象进行采集记录，并服务后续研究；基于神经网络模型的个体间共性特征提取方案，具备较强的泛化能力，网络充分学习后的特征映射能力能够准确提供飞行员在应激反映下的特征，并为共性特征分析的角度提供支持；同时，基于时间动态感知的定量评估方案相较于仅提供单次飞行任务下受试者状态定性评估的现有方法，完成了受试者个体抗应激能力到时间细粒度级能力评分的关系映射，能够实现在给定任务下受试者抗应激能力的动态精准评估。

22、综上，本发明所提出的基于时间动态感知的飞行员抗应激能力精准评估方法，通过心理状态感知与生理信号结合的更为综合的数据采集角度，结合个体间共性特征提取方案与时间动态感知方案，实现了更为精准的时间细粒度级飞行员抗应激能力评估方法，进而为专家和教练员实现个性化训练和任务执行人员选择提供有效途径。

技术特征：

1.一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，包含数据采集步骤、数据预处理步骤、应激应对能力建模步骤、模型训练步骤以及模型评估步骤，

2.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，数据去噪步骤，含有以下步骤：去除基线漂移，将第一个采样点的信号作为基线信号xbaseline，再计算每个采样点xi的基线信号时利用动量更新方式，公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，应激应对能力建模步骤，含有以下步骤：将用户填写的多维感知社会支持量表(mpsss)转换为外界环境支持特征集,外在环境支持特征包含来自家庭的支持程度和来自社会的支持程度,将来自家庭的支持程度表示为εf，将来自社会的支持程度表示为εs。

5.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，模型训练步骤，含有以下步骤：时间动态编码器gf是基于一维的时间卷积网络(tcn)骨干，划分为三个卷积块，每个卷积块使用不同的步幅以捕捉不同尺度的时间序列特征，使用扩张卷积增加感受野，捕获序列中的全局模式，通过残差连接将卷积层的输出与输入相加，缓解梯度消失。

6.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，数据采集步骤，含有以下步骤：使用empatica e4腕带式生理信号监测仪采集生理信号，采用多个传感器，包括光电容积脉搏波传感器(ppg)、3轴加速度计、红外热电堆和两个记录皮电活动(eda)的传感器，ppg传感器记录血容量脉搏(bvp),通过设备的固件得到心律(hr)和心搏间隔(ibi)；三轴加速度计记录佩戴在受试者手腕上的设备的运动；红外线热电堆记录皮肤表面温度；eda传感器记录皮肤电特性的波动变化。

7.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，数据去噪步骤含有以下步骤：使用不同频段的滤波器处理相应的生理信号，获得纯净的信号，使用3hz的低通滤波器处理eda信号，使用0.1hz-10hz的带通滤波器处理bvp信号，使用10hz的低通滤波器处理皮肤温度信号,

8.根据权利要求1所述的一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，数据预处理步骤，含有以下步骤：将预处理好的特征输入神经网络进行前馈计算，使用回归输出作为应激能力表征，并根据受试者抗应激水平打分标签计算损失ly；使用分类输出作为受试者个体域的识别分类结果，并根据受试者所在域标签计算损失ld,

9.一种飞行员抗应激能力精准评估方法，其特征在于，输入训练集由多个受试者经过若干次抗应激任务记录下的生理信号组成，其中个体域1到k为受试者编号，也即受试者个体域的标签,测试集中的未知个体域即本模型训练好后面向的未知受试者,

技术总结
一种飞行员抗应激能力精准评估方法，属于心理抗应激状态评估及计算机程序技术领域。包含数据采集步骤、数据预处理步骤、应激应对能力建模步骤、模型训练步骤以及模型评估步骤。相较于仅提供单次飞行任务下受试者状态定性评估的现有方法，本发明结合了多角度静态量表调查和动态生理信号的个性特征采集的方法，建立了个体间共性特征提取方案，同时基于时间动态感知实现抗应激能力定量评价，完成了受试者个体抗应激能力到时间细粒度级能力评分的关系映射，能够实现在给定任务下受试者抗应激能力的动态精准评估，进而为专家和教练员实现个性化训练和任务执行人员选择提供有效途径。

技术研发人员：王晶,靳希源,林友芳,岳景杭,韩升,万怀宇,张硕,武志昊
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31