疲(pi)勞(lao)是(shi)影(ying)響(xiang)飛(fei)行(hang)安(an)全(quan)的(di)一(yi)個(ge)重(chong)要(yao)因(yin)素(su)，可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)飛(fei)行(hang)員(yuan)操(cao)作(zuo)能(neng)力(li)下(xia)降(xiang)、錯(cuo)誤(wu)判(pan)斷(duan)和(hu)飛(fei)行(hang)錯(cuo)覺(jue)，甚(shen)至(zhi)會(kuai)引(yin)發(fa)嚴(yan)重(chong)飛(fei)行(hang)事(shi)故(gu)。當(dang)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)時(shi)，其(qi)自(zi)主(zhu)神(shen)經(jing)係(ji)統(tong)會(kuai)發(fa)生(sheng)相(xiang)應(ying)的(di)變(bian)化(hua)，心(xin)率(shuai)與(yu)自(zi)主(zhu)神(shen)經(jing)係(ji)統(tong)活(huo)動(dong)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(di)相(xiang)關(guan)性(xing)，心(xin)電(dian)信(xin)號(hao)可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(duo)上(shang)反(fan)映(ying)人(ren)的(di)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)。

為(wei)了(liao)滿(man)足(ju)飛(fei)行(hang)員(yuan)自(zi)然(ran)駕(jia)駛(shi)和(hu)安(an)全(quan)飛(fei)行(hang)的(di)需(xu)求(qiu)，本(ben)研(yan)究(jiu)選(xuan)擇(ze)了(liao)采(cai)樣(yang)率(shuai)高(gao)、數(shuo)據(ju)可(ke)靠(kao)、操(cao)作(zuo)方(fang)便(pian)、非(fei)侵(qin)入(ru)性(xing)強(jiang)的(di)ECG心(xin)電(dian)傳(zhuan)感(gan)器(qi)，並(bing)結(jie)合(ge)主(zhu)觀(guan)自(zi)我(wo)評(ping)估(gu)來(lai)識(zhi)別(bie)飛(fei)行(hang)員(yuan)的(di)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)，從(zong)而(er)保(bao)證(zheng)了(liao)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)數(shuo)據(ju)的(di)實(shi)時(shi)性(xing)和(hu)準(zhun)確(que)性(xing)。

通(tong)過(guo)飛(fei)行(hang)模(mu)擬(ni)實(shi)驗(yan)收(shou)集(ji)飛(fei)行(hang)員(yuan)心(xin)電(dian)（ECG）和(hu)Samn–Perell7級(ji)疲(pi)勞(lao)量(liang)表(biao)數(shuo)據(ju)識(zhi)別(bie)飛(fei)行(hang)員(yuan)的(di)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)。對(dui)采(cai)集(ji)的(di)ECG數(shuo)據(ju)進(jin)行(hang)預(yu)處(chu)理(li)後(hou)，通(tong)過(guo)弗(fu)裏(li)德(de)曼(man)檢(jian)驗(yan)和(hu)主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi)(PCA)選(xuan)擇(ze)並(bing)提(ti)取(qu)ECG數(shuo)據(ju)的(di)時(shi)域(yu)、頻(pin)域(yu)和(hu)非(fei)線(xian)性(xing)特(te)征(zheng)指(zhi)標(biao)。基(ji)於(yu)特(te)征(zheng)選(xuan)擇(ze)和(hu)提(ti)取(qu)的(di)結(jie)果(guo)，利(li)用(yong)學(xue)習(xi)向(xiang)量(liang)化(hua)算(suan)法(fa)神(shen)經(jing)網(wang)絡(lao)（LVQ）建(jian)立(li)了(liao)飛(fei)行(hang)員(yuan)的(di)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)識(zhi)別(bie)模(mu)型(xing)，並(bing)確(que)定(ding)飛(fei)行(hang)員(yuan)的(di)非(fei)疲(pi)勞(lao)、輕(qing)度(duo)疲(pi)勞(lao)和(hu)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)。最(zui)後(hou)將(qiang)鑒(jian)定(ding)結(jie)果(guo)與(yu)反(fan)向(xiang)傳(zhuan)播(bo)神(shen)經(jing)網(wang)絡(lao)（BPNN）、支(zhi)持(chi)向(xiang)量(liang)機(ji)（SVM）等(deng)傳(zhuan)統(tong)方(fang)法(fa)進(jin)行(hang)了(liao)比(bi)較(jiao)。

招(zhao)募(mu)30名(ming)獲(huo)得(dei)飛(fei)行(hang)資(zi)格(ge)證(zheng)的(di)飛(fei)行(hang)員(yuan)。飛(fei)行(hang)員(yuan)在(zai) Cessna 172模(mu)擬(ni)飛(fei)行(hang)器(qi)執(zhi)行(hang)飛(fei)行(hang)任(ren)務(wu)，佩(pei)戴(dai)津(jin)發(fa)科(ke)技(ji)BIO無(wu)線(xian)可(ke)穿(chuan)戴(dai)ECG傳(zhuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)ECG信(xin)號(hao)，並(bing)通(tong)過(guo)ErgoLAB人(ren)機(ji)環(huan)境(jing)同(tong)步(bu)雲(yun)平(ping)台(tai)記(ji)錄(lu)和(hu)處(chu)理(li)ECG信(xin)號(hao)，Cessna 172模(mu)擬(ni)飛(fei)行(hang)器(qi)和(hu)無(wu)線(xian)可(ke)穿(chuan)戴(dai)ECG傳(zhuan)感(gan)器(qi)的(di)佩(pei)戴(dai)如(ru)下(xia)圖(tu)。每(mei)個(ge)飛(fei)行(hang)員(yuan)每(mei)天(tian)在(zai)上(shang)午(wu)、下(xia)午(wu)、晚(wan)上(shang)分(fen)別(bie)執(zhi)行(hang)一(yi)次(ci)模(mu)擬(ni)飛(fei)行(hang)，共(gong)持(chi)續(xu)30天(tian)。

飛(fei)行(hang)員(yuan)和(hu)主(zhu)試(shi)在(zai)每(mei)次(ci)飛(fei)行(hang)前(qian)後(hou)根(gen)據(ju)飛(fei)行(hang)員(yuan)的(di)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)在(zai)Samn–Perelli7級(ji)疲(pi)勞(lao)量(liang)表(biao)中(zhong)選(xuan)擇(ze)最(zui)靠(kao)近(jin)的(di)疲(pi)勞(lao)水(shui)平(ping)，結(jie)果(guo)取(qu)其(qi)平(ping)均(jun)值(zhi)，並(bing)將(qiang)疲(pi)勞(lao)量(liang)表(biao)得(dei)分(fen)不(bu)大(dai)於(yu)3定(ding)義(yi)為(wei)非(fei)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)，大(dai)於(yu)3但(dan)不(bu)大(dai)於(yu)5定(ding)義(yi)為(wei)輕(qing)度(duo)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)，大(dai)於(yu)5定(ding)義(yi)為(wei)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)。

飛(fei)行(hang)員(yuan)的(di)疲(pi)勞(lao)水(shui)平(ping)在(zai)9：00-11：00、14：00-16：00和(hu)19：00-21：00的(di)三(san)個(ge)時(shi)間(jian)段(duan)內(nei)有(you)顯(xian)著(zhuo)差(chai)異(yi)，這(zhe)三(san)個(ge)時(shi)間(jian)段(duan)對(dui)應(ying)的(di)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)可(ke)分(fen)為(wei)非(fei)疲(pi)勞(lao)、輕(qing)度(duo)疲(pi)勞(lao)和(hu)疲(pi)勞(lao)。使(shi)用(yong)非(fei)疲(pi)勞(lao)、輕(qing)度(duo)疲(pi)勞(lao)和(hu)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)作(zuo)為(wei)模(mu)型(xing)訓(xun)練(lian)的(di)標(biao)簽(qian)。

選(xuan)擇(ze)22人(ren)數(shuo)據(ju)（1152樣(yang)本(ben)）為(wei)訓(xun)練(lian)集(ji)，剩(sheng)下(xia)8人(ren)數(shuo)據(ju)(288樣(yang)本(ben))為(wei)測(ce)試(shi)集(ji)，通(tong)過(guo)弗(fu)裏(li)德(de)曼(man)檢(jian)驗(yan)得(dei)出(chu)差(chai)異(yi)顯(xian)著(zhuo)的(di)ECG 的(di)4個(ge)時(shi)域(yu)指(zhi)標(biao)（ AVNN、AVHR、RMSSD、PNN50）、3個(ge)頻(pin)域(yu)指(zhi)標(biao)（LFnorm、HFnorm、LF/HF）和(hu)3個(ge)非(fei)線(xian)性(xing)指(zhi)標(biao)（SD1、A++、B++）。以(yi)時(shi)域(yu)指(zhi)標(biao)為(wei)例(li)弗(fu)裏(li)德(de)曼(man)檢(jian)驗(yan)的(di)箱(xiang)圖(tu)如(ru)下(xia)。

采(cai)用(yong)主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi)，進(jin)一(yi)步(bu)消(xiao)除(chu)了(liao)特(te)征(zheng)提(ti)取(qu)之(zhi)間(jian)的(di)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)，主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)見(xian)下(xia)圖(tu)，選(xuan)擇(ze)PC1、PC2、PC3、PC4和(hu)PC5作(zuo)為(wei)模(mu)型(xing)訓(xun)練(lian)的(di)新(xin)特(te)征(zheng)指(zhi)標(biao)。

選(xuan)擇(ze)均(jun)方(fang)誤(wu)差(chai)(MSE)作(zuo)為(wei)損(sun)失(shi)函(han)數(shuo)。MSE值(zhi)越(yue)小(xiao)，模(mu)型(xing)輸(shu)出(chu)分(fen)布(bu)和(hu)樣(yang)本(ben)標(biao)簽(qian)分(fen)布(bu)越(yue)接(jie)近(jin)。基(ji)於(yu)LVQ模(mu)型(xing)的(di)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)識(zhi)別(bie)的(di)準(zhun)確(que)率(shuai)和(hu)MSE如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。當(dang)神(shen)經(jing)元(yuan)個(ge)數(shuo)為(wei)13時(shi)，準(zhun)確(que)率(shuai)最(zui)高(gao)，MSE相(xiang)對(dui)較(jiao)小(xiao)。

測(ce)試(shi)集(ji)中(zhong)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)識(zhi)別(bie)結(jie)果(guo)如(ru)圖(tu)10，其(qi)中(zhong)“0”、“1”、“2”分(fen)別(bie)代(dai)表(biao)非(fei)疲(pi)勞(lao)、輕(qing)度(duo)疲(pi)勞(lao)和(hu)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)。LVQ模(mu)型(xing)的(di)平(ping)均(jun)識(zhi)別(bie)準(zhun)確(que)率(shuai)為(wei)82.29%。

對(dui)比(bi)LVQ模(mu)型(xing)與(yu)BPNN模(mu)型(xing)和(hu)SVM模(mu)型(xing)的(di)準(zhun)確(que)率(shuai)、精(jing)確(que)度(duo)、召(shao)回(hui)率(shuai)、F1指(zhi)數(shuo)和(hu)ROC曲(qu)線(xian)，結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)：LVQ模(mu)型(xing)在(zai)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)識(zhi)別(bie)上(shang)更(geng)為(wei)準(zhun)確(que)、可(ke)信(xin)、穩(wen)定(ding)、有(you)效(xiao)。

本(ben)研(yan)究(jiu)利(li)用(yong)ErgoLAB人(ren)機(ji)環(huan)境(jing)同(tong)步(bu)雲(yun)平(ping)台(tai)在(zai)模(mu)擬(ni)飛(fei)行(hang)任(ren)務(wu)中(zhong)采(cai)集(ji)和(hu)分(fen)析(xi)飛(fei)行(hang)員(yuan)心(xin)電(dian)信(xin)號(hao)進(jin)行(hang)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)識(zhi)別(bie)的(di)計(ji)算(suan)機(ji)建(jian)模(mu)，這(zhe)為(wei)將(qiang)來(lai)基(ji)於(yu)心(xin)電(dian)信(xin)號(hao)的(di)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)狀(zhuang)態(tai)識(zhi)別(bie)研(yan)究(jiu)奠(dian)定(ding)了(liao)基(ji)礎(chu)，為(wei)減(jian)少(shao)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)引(yin)起(qi)的(di)飛(fei)行(hang)事(shi)故(gu)提(ti)供(gong)了(liao)理(li)論(lun)依(yi)據(ju)。同(tong)時(shi)研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)也(ye)為(wei)飛(fei)行(hang)員(yuan)疲(pi)勞(lao)風(feng)險(xian)管(guan)理(li)和(hu)智(zhi)能(neng)飛(fei)機(ji)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)係(ji)統(tong)的(di)發(fa)展(zhan)提(ti)供(gong)實(shi)際(ji)的(di)參(shen)考(kao)。

1.Pan T, Wang H, Si H, Li Y, Shang L. Identification of Pilots' Fatigue Status Based on Electrocardiogram Signals. Sensors (Basel). 2021 Apr 25;21(9):3003. doi: 10.3390/s21093003.

2.Caldwell, J.A.; Mallis, M.M.; Caldwell, J.L.; Paul, M.A.; Miller, J.C.; Neri, D.F. Fatigue counter measures in aviation. Aviat. Space Environ. Med. 2009, 80, 29–59.

3.Avers, K.; Johnson, W.B. A review of federal aviation administration fatigue research: Transitioning scientifific results to the aviation industry. Aviat. Appl. Hum. Factors 2011, 1, 87–98.