基于大數(shù)據(jù)的飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)設(shè)計研究

李 成，李永剛，戰(zhàn)春霞

（海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺264001）

習(xí)近平總書記在十九屆中共中央政治局第二次集體學(xué)習(xí)時的重要講話中指出“大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的新階段”，并作出了“推動大數(shù)據(jù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、構(gòu)建以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素的數(shù)字經(jīng)濟、運用大數(shù)據(jù)提升國家治理現(xiàn)代化水平、運用大數(shù)據(jù)促進保障和改善民生、切實保障國家數(shù)據(jù)安全”的戰(zhàn)略部署。[1]飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)是利用現(xiàn)代大數(shù)據(jù)信息技術(shù)并結(jié)合智能訓(xùn)練設(shè)備，實現(xiàn)對飛行員身心狀況的全方位評估與管理，實現(xiàn)飛行員的體質(zhì)體能、心理生理、飛行任務(wù)等數(shù)據(jù)的全面采集及存儲管理。建立完整標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)的飛行員體質(zhì)體能、生理心理、健康狀態(tài)、任務(wù)績效數(shù)據(jù)倉庫，根據(jù)個人素質(zhì)差異、任務(wù)能力要求、飛行條件環(huán)境，利用大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)進行模式識別、迭代優(yōu)化各數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)飛行員個性化生理心理訓(xùn)練方案。同時，通過自體、個體之間、個體與群體，在訓(xùn)練科目、能力差異、任務(wù)表現(xiàn)、時間等不同維度的數(shù)據(jù)分析為管理部門提供強力的輔助決策支撐；建立狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)風(fēng)險的量化、日常化和可視化管理，保證訓(xùn)練安全，為降低運動風(fēng)險、預(yù)防訓(xùn)練傷病的發(fā)生提供保障。

1 飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)基本建設(shè)原則

1.1 先進性和開放性

在建設(shè)設(shè)計開始要充分考慮到將來的技術(shù)發(fā)展需要，選擇較先進、開放、成熟的技術(shù)與產(chǎn)品，建設(shè)具有一定先進性的軟硬件設(shè)備。應(yīng)用平臺軟件需考慮今后硬件的擴展、軟件系統(tǒng)的對接、綜合管控及應(yīng)急指揮等功能深化需要，開發(fā)平臺軟件時應(yīng)預(yù)留一定的接口和模塊，確保今后可支持更多硬件產(chǎn)品的接入以及軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對接及功能擴展。

1.2 經(jīng)濟性和實用性

堅持經(jīng)濟性和實用性的統(tǒng)一，充分考慮指揮中心的整體布局、軟硬件運行環(huán)境、日常運行維護成本等因素，并考慮后期與其他系統(tǒng)的對接及自身的系統(tǒng)擴展要求，繼承性和針對性建設(shè)相應(yīng)的軟硬件設(shè)備。因此，在構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的信息管理系統(tǒng)時，一定要以功能的實現(xiàn)為基礎(chǔ)，將硬件、軟件和人的管理有機結(jié)合在一起[2]。

1.3 安全性和保密性

本項目涉及應(yīng)用平臺軟件設(shè)計時應(yīng)充分考慮信息安全問題，采取一定的安全防范措施，避免系統(tǒng)軟硬件及數(shù)據(jù)遭到攻擊和破壞，做好數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)安全管控和用戶權(quán)限管控設(shè)計。

1.4 穩(wěn)定性和可靠性

項目應(yīng)充分考慮軟硬件的集成對接、相關(guān)設(shè)備安裝條件、物理環(huán)境及后期維護的難度等因素，建設(shè)可靠、穩(wěn)定、易于養(yǎng)護的軟硬件設(shè)備，并突出和強化售后服務(wù)保障體系建設(shè)，以確保項目建成后可靠穩(wěn)定運行。

2 飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類體系

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指時間特征不明顯的基礎(chǔ)性、客觀性數(shù)據(jù)，主要包括單位代碼數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用字典和訓(xùn)練指標(biāo)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般由各級指定的職能部門進行統(tǒng)一發(fā)布，以確保人員訓(xùn)練管理數(shù)據(jù)的完整性和一致性，便于數(shù)據(jù)跨層級、跨部門、跨領(lǐng)域的交換與共享?；A(chǔ)數(shù)據(jù)具有相對穩(wěn)定的特性，任何版本的修訂必須在本工程相應(yīng)范圍內(nèi)進行同步更新。

2.2 動態(tài)數(shù)據(jù)

動態(tài)數(shù)據(jù)是指與訓(xùn)練管理業(yè)務(wù)相關(guān)、時空敏感的客觀性數(shù)據(jù)，主要包括訓(xùn)練管理動態(tài)數(shù)據(jù)、訓(xùn)練設(shè)備動態(tài)數(shù)據(jù)、訓(xùn)練人員動態(tài)數(shù)據(jù)和訓(xùn)練結(jié)果動態(tài)數(shù)據(jù)。動態(tài)數(shù)據(jù)主要通過歷史數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)入庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在線生成和常態(tài)化采集，實現(xiàn)動態(tài)積累。

2.3 決策數(shù)據(jù)

決策數(shù)據(jù)是指通過實訓(xùn)實測、態(tài)勢分析、指標(biāo)模型計算、關(guān)聯(lián)分析挖掘等綜合處理及主觀分析所得到的輔助決策數(shù)據(jù)，主要包括態(tài)勢分析數(shù)據(jù)、智能決策結(jié)果、大數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。智能決策與大數(shù)據(jù)展示主要是根據(jù)一體化訓(xùn)練管理工作對大數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用需求，結(jié)合飛行員訓(xùn)練體系建設(shè)實際，集中開展基礎(chǔ)體能、抗載荷能力、空間定向能力、抗疲勞能力和康復(fù)與恢復(fù)能力等方面的智能評估決策和效果可視化展示。

數(shù)據(jù)的存儲與管理是應(yīng)用大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之一。[3]基于大數(shù)據(jù)計算和存儲能力的一站式集成數(shù)據(jù)中臺，覆蓋飛行員體質(zhì)、體能和心理完整的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程，滿足海量數(shù)據(jù)采集、存儲、檢索、分析和可視化等一系列的需求，最后形成個性化的生理心理訓(xùn)練方案。

3 飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)設(shè)計

3.1 海量數(shù)據(jù)快速計算與存儲訪問的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)交換的中心節(jié)點，其計算存儲效率的高低決定了數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的質(zhì)量。針對訓(xùn)練管理領(lǐng)域數(shù)據(jù)容量大、動態(tài)更新快、保鮮要求高的特點，需要提供面向海量數(shù)據(jù)的快速計算與存儲訪問技術(shù)，在有限存儲空間和計算資源的條件下，顯著提升數(shù)據(jù)中心的計算與存儲訪問效率。

主要采用的解決方法：一是分布式并行計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用和交換。基于國際標(biāo)準(zhǔn)的實時流處理等技術(shù)，提升數(shù)據(jù)中心處理效率。二是采用分布式并行數(shù)據(jù)庫和分布式文件存儲系統(tǒng)，解決計算與存儲吞吐能力不足的問題。三是“引擎+流程”框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過高性能的數(shù)據(jù)處理引擎，結(jié)合動態(tài)可配置的處理流程，實現(xiàn)存儲與計算資源的柔性擴展。

3.2 多中心數(shù)據(jù)匯集與分發(fā)

針對訓(xùn)練管理領(lǐng)域數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、涉及多個數(shù)據(jù)處理中心以及數(shù)據(jù)節(jié)點的現(xiàn)狀，需要提供各單位數(shù)據(jù)中心的分級信息匯集模式，支持虛擬集成和復(fù)制匯集，有效降低數(shù)據(jù)融合處理復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。

按照訓(xùn)練管理領(lǐng)域元數(shù)據(jù)通用要求，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)的注冊和共享機制，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)對象可發(fā)現(xiàn)和可管理；按照訓(xùn)練管理領(lǐng)域數(shù)據(jù)元素通用要求，通過數(shù)據(jù)元素字典表和數(shù)據(jù)元素交換表，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)對象動態(tài)交換和按需集成；采用數(shù)據(jù)按權(quán)訂閱分發(fā)的方式，提供全網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)服務(wù)，用戶按照權(quán)限共享數(shù)據(jù)檢索和下載服務(wù)；利用數(shù)據(jù)分發(fā)通道動態(tài)管理技術(shù)手段，達到節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。

3.3 智能查詢與大數(shù)據(jù)可視化

飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)采用的技術(shù)主要是利用視覺效果，通過時間序列、邏輯關(guān)系等不同維度，把訓(xùn)練數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，重點對進行核心模塊訓(xùn)練的人員，進行訓(xùn)練數(shù)據(jù)的快速精準(zhǔn)展現(xiàn)，使受訓(xùn)及指導(dǎo)實時理解數(shù)據(jù)評估訓(xùn)練，智能調(diào)整訓(xùn)練，從而提升飛行員訓(xùn)練決策能力和訓(xùn)練實效。

智能即時查詢技術(shù)通過圖形化的界面輕松搭建專業(yè)水準(zhǔn)的可視化應(yīng)用和智能化數(shù)據(jù)挖掘分析，滿足訓(xùn)練監(jiān)控、運動傷病風(fēng)險預(yù)警、訓(xùn)練成效分析等需求；大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)主要將數(shù)據(jù)展示和互動體驗相結(jié)合，實現(xiàn)技術(shù)與訓(xùn)練的完美融合，適用于訓(xùn)練決策、訓(xùn)練情況匯總、訓(xùn)練評估等需求。

3.4 智能數(shù)據(jù)建模生成個性化訓(xùn)練方案及計劃

飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)可通過智能數(shù)據(jù)建模技術(shù)自動生成個性化訓(xùn)練方案及計劃，為飛行員提供運動處方應(yīng)用服務(wù)，平臺可提供多種預(yù)設(shè)的運動處方供訓(xùn)練人員進行選擇，同時訓(xùn)練指導(dǎo)人員也可根據(jù)飛行員的訓(xùn)練情況進行定制化調(diào)整，以保證飛行員的訓(xùn)練質(zhì)量提升以及中心平臺的數(shù)據(jù)更新。

智慧強健中心有別于傳統(tǒng)訓(xùn)練，其核心要素在于建模，通過數(shù)據(jù)模型來驅(qū)動訓(xùn)練環(huán)節(jié)五要素“DEASM”，即需求（Demand）→檢測（Examine）→分析（Analysis）→專項訓(xùn)練（Specialied training）→保持（Maintaining）。同時，智慧強健中心需要具備以下兩個特征：（1）是否能夠?qū)W習(xí)人的經(jīng)驗，從而替代人來分析問題和形成決策；（2）是否能從新的訓(xùn)練問題中找出規(guī)律并提出解決方案，從而避免問題的再次發(fā)生。

4 飛行員生理心理個性化訓(xùn)練管理系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)設(shè)計

4.1 基本體能訓(xùn)練管理

根據(jù)每名飛行員的初始健康狀況、體能水平、心理狀態(tài)的數(shù)據(jù)與評估結(jié)果，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)形成高度個性化的循證訓(xùn)練方案和訓(xùn)練計劃，指導(dǎo)飛行員進行科學(xué)訓(xùn)練，并提供自助式訓(xùn)練輔助增益手段和訓(xùn)練安全監(jiān)控手段，實現(xiàn)飛行員訓(xùn)練信息的綜合展示與狀態(tài)預(yù)警。建立個體人因數(shù)據(jù)檔案，并能夠進行個體、個體與個體、個體與群體在訓(xùn)練科目、能力差異、任務(wù)表現(xiàn)、時限等不同維度的數(shù)據(jù)分析。

主要由多種智能體能訓(xùn)練器材、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)集市構(gòu)成，包含力量訓(xùn)練管理模塊、速度訓(xùn)練管理模塊、耐力訓(xùn)練管理模塊、靈敏訓(xùn)練管理模塊、協(xié)調(diào)訓(xùn)練管理模塊、柔韌訓(xùn)練管理模塊、平衡訓(xùn)練管理模塊、體型管理模塊以及數(shù)據(jù)集成管理模塊。

4.2 專項訓(xùn)練管理

根據(jù)每名飛行員的初始健康狀況、體能水平、心理狀態(tài)的數(shù)據(jù)與評估結(jié)果，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)形成高度個性化的飛行員專項循證訓(xùn)練方案和訓(xùn)練計劃，指導(dǎo)飛行員進行科學(xué)訓(xùn)練，并提供自助式訓(xùn)練輔助增益手段和訓(xùn)練安全監(jiān)控手段，實現(xiàn)飛行員訓(xùn)練信息的綜合展示與狀態(tài)預(yù)警。建立個體人因數(shù)據(jù)檔案。

主要由多種訓(xùn)練設(shè)備和數(shù)據(jù)集市構(gòu)成，主要聚焦于航空生理層面訓(xùn)練管理，在平臺集成管理功能模塊上進行統(tǒng)一配置。包括空間定向能力訓(xùn)練、抗疲勞及恢復(fù)訓(xùn)練、心理應(yīng)激訓(xùn)練、心理認知能力評估、心理放松訓(xùn)練、數(shù)據(jù)集市組成等。

4.3 心理訓(xùn)練管理

心理訓(xùn)練任務(wù)管理在平臺集成管理功能模塊上進行統(tǒng)一配置；測試任務(wù)所得到的生理數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)、量表數(shù)據(jù)、測試任務(wù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析與特性評價系統(tǒng)模塊進行計算得到心理評估結(jié)果。通過生理心理干預(yù)方法。采用專門儀器和手段，具體改變?nèi)说哪撤N生理心理狀態(tài)，以達到最適宜強度、最佳的狀態(tài)。即通過言語暗示、肢體松弛方法等對自身本體狀態(tài)進行自我約束的調(diào)整練習(xí)，改變本體生理、心理狀態(tài)，達到自我控制、自我調(diào)節(jié)。

主要由心理應(yīng)激訓(xùn)練、心理認知能力評估、心理放松訓(xùn)練、數(shù)據(jù)集市組成。通過心理應(yīng)激訓(xùn)練過程中收集到的生理相關(guān)數(shù)據(jù)對心理應(yīng)激能力進行評估。通過PC搭載認知能力測評行為任務(wù)和量表對飛行員的時間知覺、空間知覺、速度知覺、注意能力、工作記憶、記憶廣度、基本反應(yīng)等認知能力進行多維度評估。通過心理狀態(tài)的實時監(jiān)測，評估應(yīng)激狀態(tài)心理效能的影響情況，建立飛行員心理效能評估訓(xùn)練檔案。

4.4 綜合評估

綜合評估是對訓(xùn)練過程中數(shù)據(jù)采集的多模態(tài)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、特征提取、特征融合、評估指標(biāo)運算、數(shù)據(jù)評估、量化跟蹤、數(shù)據(jù)評估結(jié)果展示、模型優(yōu)化，進行數(shù)據(jù)批量計算和流式計算，分別計算構(gòu)成訓(xùn)練飛行員職業(yè)效能的體質(zhì)體能、飛行任務(wù)專項、航空心理、飛行任務(wù)和績效五要素，按國際先進的過程管理理論對訓(xùn)練進行階段性評價，給出階段性提示和建議，結(jié)合飛行員過往訓(xùn)練記錄自動生成近期個性化訓(xùn)練方案，為飛行員科學(xué)化訓(xùn)練與作戰(zhàn)效能的評估提供決策依據(jù)。

結(jié)合國內(nèi)外飛行員體能體訓(xùn)的經(jīng)驗和先進手段，形成一個全面、針對性強的訓(xùn)練科目庫，規(guī)定訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練方法、訓(xùn)練器材、訓(xùn)練強度和頻度。從體質(zhì)體能、飛行任務(wù)專項、航空心理、飛行任務(wù)和績效五大要素中，提取飛行員相關(guān)的訓(xùn)練基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分布式存儲。分布式網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)采用可擴展的系統(tǒng)結(jié)飛行構(gòu)，使用多個存儲服務(wù)器共享存儲負載，利用位置服務(wù)器定位存儲信息，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，可用性和訪問效率，而且易于擴展。根據(jù)飛行員訓(xùn)練的時間、頻度、強度和動作合理性對訓(xùn)練的質(zhì)量進行評估打分，運用科學(xué)的方法、標(biāo)準(zhǔn)和程序，對行為訓(xùn)練評定任務(wù)有關(guān)的績效信息進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、特征提取、特征融合、評估指標(biāo)運算，處理飛行員在操作過程中的行為數(shù)據(jù)，針對飛行員個體建立生理-心理-行為數(shù)據(jù)庫，分析不同數(shù)據(jù)對飛行員的影響，并盡可能做出準(zhǔn)確評價，計入訓(xùn)練績效考核。通過數(shù)據(jù)評估、量化跟蹤、模型優(yōu)化對飛行員的體質(zhì)體能、飛行任務(wù)專項、航空心理、健康狀況和績效進行綜合評估、可視化展示。同時對各種異常問題因素進行預(yù)警與展示，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、不確定因素進行飛行員訓(xùn)練方案優(yōu)化迭代。