基于TCN-LSTM与层次化注意力机制的机组疲劳预测
CSTR:
作者:
作者单位:

1.南京航空航天大学通用航空与飞行学院,南京211106;2.民航上海医院,上海201103

作者简介:

通讯作者:

高振兴,男,教授,博士生导师,E-mail: z.x.gao@nuaa.edu.cn。

中图分类号:

V323

基金项目:

国家自然科学基金民航联合基金重点支持项目(U2333202);国家自然科学基金面上项目(52272351);民航安全能力建设资金项目(ASSA2024/121)。


Fatigue Prediction for Flight Crews Using TCN-LSTM with Hierarchical Attention Mechanism
Author:
Affiliation:

1.College of General Aviation and Flight, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 211106, China;2.Shanghai Civil Aviation Hospital, Shanghai 201103, China

Fund Project:

  • 摘要
  • |
  • 图/表
  • |
  • 访问统计
  • |
  • 参考文献
  • |
  • 相似文献
  • |
  • 引证文献
  • |
  • 资源附件
  • |
  • 文章评论
    摘要:

    为提高机组疲劳预测精度并实现异常行为早期预警,本研究提出了一种基于时序卷积网络和长短期记忆网络(Temporal convolutional network-long short-term memory,TCN-LSTM)与层次化注意力机制的机组疲劳状态预测方法。通过多尺度时序特征提取模块捕捉脑电(Electroencephalography, EEG)信号的时频特征与长期依赖关系,利用层次化注意力机制融合脑电与心理量表数据,并针对操纵飞行员和监控飞行员设计差异化预测策略。实验结果表明,该方法较单一模态预测模型提升15.3%的预测精度,预警时间窗提前至12.5 min。其中,TCN-LSTM混合网络的时序特征提取效率较常用LSTM网络提升22.7%,层次化注意力机制使多模态融合效能提高18.4%。该混合架构在预测时效性与准确性方面均优于单一深度学习模型,适用于航空人因工程的实时监测。

    Abstract:

    To improve the prediction accuracy of crew fatigue and enable early warning of abnormal states, this study proposes a novel fatigue prediction method integrating the temporal convolutional network-long short-term memory (TCN-LSTM) with a hierarchical attention mechanism. The approach employs a multi-scale temporal feature extraction module to capture time-frequency characteristics and long-term dependencies in electroencephalography (EEG) signals, while the hierarchical attention mechanism effectively fuses EEG and psychological scale data. Differential prediction strategies are designed for operating pilots and monitoring pilots. Experimental results demonstrate that the proposed method achieves a 15.3% higher prediction accuracy compared to single-modality models, with an early warning time window advanced to 12.5 min. Specifically, the TCN-LSTM hybrid network improves temporal feature extraction efficiency by 22.7% over conventional LSTM networks, and the hierarchical attention mechanism enhances multimodal fusion performance by 18.4%. This hybrid architecture outperforms single deep learning models in both timeliness and accuracy, demonstrating applicability for real-time monitoring in aviation human factors engineering.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

季瑞童,高振兴,张琳,朱佳梅.基于TCN-LSTM与层次化注意力机制的机组疲劳预测[J].南京航空航天大学学报,2025,57(6):1212-1221

复制
分享
相关视频

文章指标
  • 点击次数:
  • 下载次数:
  • HTML阅读次数:
  • 引用次数:
历史
  • 收稿日期:2025-06-27
  • 最后修改日期:2025-10-21
  • 录用日期:
  • 在线发布日期: 2025-12-18
  • 出版日期:
文章二维码
您是第位访问者
网站版权 © 南京航空航天大学学报
技术支持:北京勤云科技发展有限公司