姜囡 郭卉 任杰 中國刑事警察學(xué)院

引言

對心理壓力過大的警務(wù)人員進行定期心理壓力等級評估并及時施加心理危機干預(yù)措施能有效保障警察身心健康，提高公安工作的效率。傳統(tǒng)的心理壓力評估在心理學(xué)視角下主要通過晤談、調(diào)查問卷等方式進行，被試者通常會為了使評估結(jié)果傾向健康產(chǎn)生掩飾心理，同時心理量表由專家人為命題，這些主觀因素導(dǎo)致傳統(tǒng)方法的信度與效度具有一定局限性[1]。而語音和生理信號的產(chǎn)生受自主神經(jīng)系統(tǒng)的支配，不被個體意識控制[2,3]。因此基于語音和生理信號可對心理壓力進行客觀研究，在受測警員意識未察覺的情況下評估其心理壓力，相較于傳統(tǒng)方式更能準確反映真實壓力狀態(tài)。也可在刑事偵查審訊中根據(jù)所評估出的壓力等級狀態(tài)，判斷犯罪嫌疑人的心理狀態(tài)，提高測謊結(jié)果的準確性[4-6]。

目前，單純基于生理信號進行心理壓力評估研究的學(xué)者較多，M.Huiku在1997年提出了手術(shù)壓力指數(shù)（Surgical Stress Index，SSI），認為心跳間隔（Heartbeat Interval，HBI）和體積描記脈搏波幅度（Plethysmographic Amplitude，PPGA）是手術(shù)過程中病人心理壓力的直接反映[2,3]。陳義峰在此基礎(chǔ)上提出了心理壓力指數(shù)（Psychological Stress Index，PSI）的計算，計算方法與SSI一致[7]。文獻[8]表明，壓力程度與R-R間期具有極大相關(guān)性。同時關(guān)于語音信號與心理壓力存在直接關(guān)系的研究也在不斷發(fā)展，文獻[9-13]均基于機器學(xué)習(xí)的方法研究了語音信號對心理壓力的反饋問題。文獻[14]同時結(jié)合了腦電和語音信號基于機器學(xué)習(xí)對心理壓力評估進行了探索。

本文提出基于語音和生理信號的多模態(tài)警察心理壓力等級評估方法。實時采集獲取被試的語音信號和包括心跳間隔、脈搏（Puls e Rate，PR）、血氧濃度（Oxyhemoglobin，SpO2）與血流灌注指數(shù)（Perfusion Index，PI）在內(nèi)的生理信號進行心理壓力評估分析，避免了單通道心理壓力評估誤差大的局限性。為克服PSI計算過程中獲取PPGA的困難，提出一種改進的PSI計算模型，同時基于深層語音情感壓力分析軟件對所提出的識別模型進行驗證。

一、警察心理壓力評估的影響參數(shù)

隨著情感傳感技術(shù)的發(fā)展，多種方法被用于心理壓力評估：物理評估方法和生理評估方法。

其中物理評估方法中比較簡單且常用的是語音信號，其用于壓力情感識別分析的特征大致可分為三類：韻律特征、音質(zhì)特征和譜特征，包括能量、音高、共振峰、梅爾倒譜系數(shù)等[15]。不同程度的心理壓力將會引起這些特征的相應(yīng)變化。

生理評估指在面對壓力源時，人體交感神經(jīng)系統(tǒng)通過心血管系統(tǒng)以適應(yīng)壓力刺激的調(diào)整情況。心臟連續(xù)跳動之間的時間間隔稱為HBI，又稱R-R間期，可用于心理壓力的檢測識別，如圖1所示。大量血液進入動脈會使血管管徑擴張，即所謂PR，正常范圍為60～100次/分鐘；SpO2是指血液中被氧結(jié)合的血紅蛋白容量占全部可結(jié)合血紅蛋白容量的百分比；PI是指血流灌注指數(shù)，反映脈動血流情況，不同壓力的狀態(tài)下，被試PI值也不同。

二、基于生理信號的警察心理壓力評估等級分析

本文警察心理壓力評估研究主要分為壓力評估和結(jié)論驗證兩個部分，整體流程見圖2。

本部分是受測警察心理壓力評估的等級分析，主要包括壓力誘發(fā)、數(shù)據(jù)采集、PSI的計算和心理壓力等級評估四個方面。其中PSI的數(shù)值對壓力評估的分級具有重要的參考價值。具體的壓力誘發(fā)和數(shù)據(jù)采集流程見圖3。

連接段落（見例4）只有上下兩個樂句，保留了主題旋律的原型，時值放慢了一倍—由八分音符變?yōu)樗姆忠舴?，仿佛模仿獅子梳理毛發(fā)時安靜平和的情景。在這一段落中應(yīng)以意境為重，節(jié)奏不必卡得太過死板。左手旋律線條悠長，氣息不能斷；而右手的裝飾音觸鍵模仿古箏的手法，使琴弦產(chǎn)生余音繚繞的效果。在此處，上、下句采用了不同音區(qū)，演奏時在音色處理上也應(yīng)有豐富的想象力。

（一）壓力誘發(fā)

選擇具有公安工作經(jīng)驗的人群作為被試。招募中國刑事警察學(xué)院本科生、研究生及教師共14名作為被試者，年齡22～40周歲，身心健康、視聽覺正常，過往無精神及神經(jīng)性疾病史且自愿參與實驗。被試者采集數(shù)據(jù)前4小時內(nèi)均未參與劇烈運動，實驗前一周內(nèi)均未服用任何藥品?；谝延械男睦韷毫φT導(dǎo)源庫對被試者的心理壓力進行喚起。

壓力誘發(fā)素材呈現(xiàn)的屏幕距離被試約50cm，被試者要求佩戴奧地利愛科技公司的K701高保真頭戴式耳機。誘發(fā)被試者壓力時持續(xù)播放素材5分鐘，以確保不同程度心理壓力的充分喚起。

（二）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時，被試首先填寫心理應(yīng)激自測量表，工作人員為被試穿戴好武漢中旗生物醫(yī)療電子有限公司的PM-7000D多參數(shù)監(jiān)護儀連接的生理信號監(jiān)測設(shè)備。實時記錄被試警員不同壓力狀態(tài)下的生理信號參數(shù)，每隔2秒記數(shù)一次。被試警員觀看完共四級的誘導(dǎo)源并舒緩充分后數(shù)據(jù)采集結(jié)束，工作人員基于SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

（三）PSI的計算

1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于受警察性別、年齡和工作經(jīng)歷等影響，不同個體無壓力狀態(tài)的生理信號本身差異較大，壓力喚起后生理信號的波動也不同，對PSI的計算采用基于無壓力狀態(tài)初始值的變異率。取舒緩壓力環(huán)節(jié)穩(wěn)定時間較長的值作為初始數(shù)據(jù)，分別記為HBI0、PR0、SpO20和PI0，同時各生理參數(shù)相對于初始值的變異率，分別記為△HBI、△PR、△SpO2和△PI，這四個參數(shù)可根據(jù)式（1）至式（4）計算得到。利用這些參數(shù)根據(jù)后面的模型公式可以計算得到心理壓力指數(shù)PSI。

為統(tǒng)一量綱，根據(jù)式（5）至式（8）對各生理信號參數(shù)變異率進行歸一化，分別記為△HBInorm、△PRnorm、△SpO2norm和△PInorm。

2. PSI模型的改進

文獻[8]中基于HBInorm和PPGAnorm進行最小二乘估計，擬合出PSI計算模型如下：

該模型至今仍被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)科研領(lǐng)域。

由于PPGA的信號采集要求較高，需高精度醫(yī)學(xué)儀器，基于四種在常見生理信號監(jiān)測儀上均能采集到的HBI、PR、SpO2和PI參數(shù)，提出一種新的PSI計 算模型，改進后的模型如下：

3. PSI的計算

根據(jù)式（11）對PSI進行計算，將△HBInorm、△PRnorm、△SpO2norm和△PInorm代入模型，計算過程見圖4。對PSI進行基于均值和極差的分析，可對心理壓力進行精確的分級。

（四）心理壓力等級評估

根據(jù)上述PSI計算的改進模型，對同一被試者計算不同壓力狀態(tài)下PSI的均值和極差，將PSI按時序排列，數(shù)值大的代表心理壓力較大，反之代表心理壓力較小。具體的心理壓力分級計算結(jié)果見表1。

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由表1可看出，均值數(shù)據(jù)較密集，不同心理壓力狀態(tài)的差異保持在3～7之間，整體值域在17～32之內(nèi)，極差數(shù)據(jù)較離散，不同心理壓力狀態(tài)的差異在9～12之間，整體值域在21～54之間。

根據(jù)均值和極差能將心理壓力分為五級，其中均值分級劃分范圍是：一級0～18，二級18～21，三級21～28，四級28～32，五級32～100；極差分級劃分范圍是：一級0～22，二級22～31，三級31～41，四級41～53，五級53～100。根據(jù)均值和極差可將心理抗壓能力分為優(yōu)、良、正常、弱和差的五級，將數(shù)據(jù)保留整數(shù)以便數(shù)據(jù)處理。分級結(jié)果見表2。

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以上述得到的分級結(jié)果為標準，對被試警員進行心理壓力等級評估。首先根據(jù)圖2中的流程向其播放壓力誘導(dǎo)視頻，記錄生理信號，計算出PSI后比對表2進行歸檔，綜合均值和極差進行分析。當均值和極差所對應(yīng)的抗壓能力均為優(yōu)、良和正常時表明該警察屬于普通人群，可通過同事、自媒體傳播信息等穩(wěn)定情緒、促進積極情緒，提高警察心理健康；當均值和極差中任一項對應(yīng)的抗壓能力為弱時表明該警察屬于易感人群，應(yīng)進行以心理治療為主的心理干預(yù)、開展心理教育，防止其癥狀惡化或遲發(fā)性心理疾患；當均值和極差中任一項對應(yīng)的抗壓能力為差時表明該警察為高危人群，應(yīng)立即采取藥物治療和心理治療措施。

三、基于語音信號的警察心理壓力評估等級驗證

“深層語音分析（Layered Voice Analysis，LVA）”軟件基于以色列國防部研發(fā)的軍用情感識別核心技術(shù)，通過對語音信號的精準分析實時監(jiān)測說話人情感活動。由于人類心理壓力屬于一種復(fù)雜情感活動，通過高精度情感識別軟件可有效驗證同一誘導(dǎo)條件下本文基于說話人生理信號進行心理壓力評估的結(jié)果。

利用LVA軟件，從上述第三部分基于生理信號的壓力分級評估過程中采集的警員壓力語音中，抽取150個參數(shù)進行壓力程度分析，以驗證生理信號壓力評估分級的合理性?；谡Z音信號精確計算被試者真實壓力狀態(tài)并將其分為三級：有壓力、高壓力和極高壓力。具體分析過程分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和驗證分析三個部分。

（一）數(shù)據(jù)采集

警察壓力語音的采集設(shè)備為基于日本奧林巴斯株式會社的LS-12微型數(shù)碼錄音機。首先根據(jù)PSTR量表確定被試者可以開始生理信號采集時，同時開始采集語音。生理信號采集結(jié)束時，同時結(jié)束語音的采集。

（二）數(shù)據(jù)處理

對原始MP4格式音頻基于Audition軟件進行降噪處理，將格式轉(zhuǎn)換為采樣率為11250Hz的單聲道WAVE格式，導(dǎo)入軟件進行自動壓力等級評估分析。對同一被試者不同壓力狀態(tài)下三種級別的語料數(shù)目進行記錄，檢測結(jié)果見表3。

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（三）驗證分析

根據(jù)上述表3中統(tǒng)計的語料在不同等級中出現(xiàn)的次數(shù)，計算警察不同壓力狀態(tài)語料出現(xiàn)的次數(shù)占總語料數(shù)的比率（見表4），與PSI隨誘導(dǎo)源等級變化曲線圖（見圖5）進行比對分析。

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從表4和圖5中可看出，當誘導(dǎo)源等級為一級時，有壓力語料最多，極高壓力語料極少，整體壓力等級偏低；當誘導(dǎo)源等級為二級時，有壓力語料較少，高壓力語料較多，整體壓力等級適中偏高；當誘導(dǎo)源等級為三級時，各壓力等級語料分布較平均，但極高壓力語料較多，整體壓力等級較高；當誘導(dǎo)源等級為四級時，極高壓力語料為整段音頻出現(xiàn)最多，整體壓力極高。這說明我們在第三部分基于生理信號的壓力分級是準確合理的。

同時對應(yīng)表4中的數(shù)值和圖5中PSI隨誘導(dǎo)源等級變化曲線圖的分析可知，改進后的PSI計算模型具有更好的警察真實心理壓力狀態(tài)擬合效果，能夠更真實呈現(xiàn)被試者心理壓力狀態(tài)，為警察心理壓力評估提供更準確的分級依據(jù)。

四、結(jié)語

本文提出的基于語音和多生理信號的多模態(tài)警察心理壓力等級評估方案，有效克服了傳統(tǒng)PSI模型中PPGA數(shù)據(jù)獲取的困難。改進的PSI計算模型能更貼近地擬合警察真實心理壓力狀態(tài)。基于均值和極差的壓力分級彌補了傳統(tǒng)心理壓力評估方法主觀性較強的缺陷，填補了對警察心理壓力深度分級的空白。針對高危高壓工作性質(zhì)的公安一線民警，尤其是新疆一線反恐維穩(wěn)人員，對其進行定期心理體檢（即心理壓力評估），發(fā)現(xiàn)潛在的心理危機并及時進行心理干預(yù)治療，能有效緩解民警及反恐維穩(wěn)人員壓力過大的心理狀態(tài)。同時針對偵查審訊，能準確判別其口供的真實性，為案件提供偵查方向。