军人心理素质测试系统研究与实现

冯万利，张有东，王福德，戴俊峰

(淮阴工学院计算机工程学院，江苏淮安223003)

0 引言

为更好地发挥信息化战争中政治工作直接参战功能，增强心理作战的科技含量，全面准确掌握和了解战时基层官兵心理素质状况，以便及时地、有针对性地做好官兵心理调整和疏导，不断强化战斗精神准备。着眼军队信息化建设要求，提出研制军人心理素质测试系统。系统应当具有轻便快捷、使用广泛的实战价值。

目前我军心理战主要采用宣传方式，训练主要模拟特定的环境条件下，如带电障碍、动物鲜血、高空障碍、热带丛林的蛇池等，有目的、有意识地对单个军人的心理施加影响，训练官兵在未来战争中应所具备的心理素质。其主要手段一般采用实物模拟，官兵心理素质测试主要通过问卷调查获取，比如通过中国军人心理健康量表［1］(CMMHS)的测试，通过生理参数测试而获取。目前官兵心理素质的测试器材在我军心理战器材方面仍是一项空白。

1 可行性研究

为了能够模拟战场环境，分析反映战时状态下，官兵个体和群体的心理素质状况，需要对战时状态下的官兵心理状况进行测量，并可根据测量结果给出有针对性的训练参考意见，该系统主要是通过播放立体模拟图像和音响，对官兵心理素质承受能力和适应能力进行测试和训练，对在特定情况下的官兵心理可以随时进行检测。其主要器械包括计算机、头盔显示器或投影仪、大功率扩音机和心理素质检测仪等。战场环境模拟器可以在帐篷内播放，又可以在野外单独使用扩音机播放，产生模拟视听效果，在模拟战场环境下对官兵心理素质进行系统测试，得出结论供相关人员参考。

心理测试是一种生理参数综合测试设备，它在医学、生理学和心理学等领域有着极广泛的用途，除了可以进行心电、脑电、肌电和神经生物电的直接测量之外，还可进行诸如血压、血流、心率、心音、血管容积、脉搏、心肌位移、心肌张力、呼吸流速、呼吸曲线等生理指标的测量［2］，心理测试主要是测量被测量者本能的条件反射、心理矛盾和心理压力(恐慌心理)，在测量参数上应当选择那些不易受大脑皮层意识控制而反映被测量者本能心理反应的生理指标。可以选择皮肤电［3］反应，呼吸波(胸呼吸和腹呼吸)、血压、脑电和脉搏等参数。这是因为无论是心理测试还是心理分析训练，都要测量人体中最敏感，不易受大脑皮层意识控制而反映被测量者本能心理反应的生理指标，这些参数通过生理传感器，小信号调理器，A/D转换器等设备输入计算机进行处理，最后得出被测量者心理素质的结论。

2 系统设计

2.1 系统功能设计

心理素质测试系统包括生理信号采集单元、信号调理单元、数据处理单元、数据分析、处理、控制中心、虚拟环境模拟单元、数据输出单元等。

2.2 系统结构设计

在进行精心、细致的需求分析基础之上，确定系统的实施方案。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

系统采用高性能计算机发出多媒体信号，输出给感官信号处理设备进行立体影音信号的合成，之后送感官信号输出设备进行信号处理并输出，从而实现战场环境的模拟以对被测量者进行心理刺激。在此刺激下被测量者必然产生生理反应。生理信号传感器检测该信号将其转换成电信号，通过信号调理与集成单元和数据转换与输出单元送入由高性能计算机构成的数据处理分析与控制设备进行分析处理，得出心理测试结果后送显示与输出设备进行显示输出。测试的过程数据和结果数据储存在数据库中，系统利用这些原始数据，通过数学建摸，数据处理等环节进行数据分析，最后得出心理素质状况结论。

2.3 传感器与显示器的选择

脑电传感器:压帽式电极，目前用4导电极，采用双极导联方式。

呼吸传感器:2通道，分别测量胸呼吸和腹呼吸。采用航天部航天医学研究所生产的XH－1型呼吸传感器，其主要技术参数为呼吸压差＞20mV，频率响应范围0－200Hz。

血压传感器:采用航天部航天医学研究所生产的JXH－4型血压传感器，主要技术参数为灵敏度 ＞5mV/Pa，频率响应范围0.4 －1500Hz。

指脉传感器:采用航天部航天医学研究所生产的ZM－1型指脉传感器，主要技术参数为脉动差值＞40mV。

脉搏传感器:采用航天部航天医学研究所生产的MH－1型脉搏传感器，主要技术参数为灵敏度 ＞0.5mV/g。

立体影像显示器:采用美国进口的高分辨率立体头盔显示系统HMD800S系统，其主要技术参数为光学视角28(H)×21(V)度。

2.4 小信号调理器的设计

由于生理信号大多数极其微弱(1mV以下)，所以放大器的设计极为重要。系统选用高输入阻抗，高共模抑制比放大器，带隔离和滤波器，脑电带通频率0.2～70 Hz，增益10000 dB，精度为±0.2℅;肌电放大器带隔离，带通频率10～20kHz增益2000dB，精度为±0.2℅;脉搏放大器增益250dB。考虑到抗干扰，各路放大信号独立，所有连接电缆采用超细的带屏蔽的电缆连接，同时系统要可靠接地［4］。

2.5 数据采集卡的设计和选择

由于系统要求便携，可在帐篷内使用，为方便与计算机接口，系统选用USB接口的16位数据采集卡，由于生理信号的速度较慢，对于采样速度要求不高，选择A/D转换速率100Hz，程控增益为1、2、4、8dB完全能满足系统要求。

3 系统实现

3.1 生理指标到心理指标转换模型

系统以人工神经网络理论为基础，实现了根据生理参数测试心理素质的转换模型。人工神经网络(ANN，Artificial Neural Network)是反映人脑结构及功能的一种抽象数据模型，用以模拟人类进行知识的表示与存储以及利用知识进行推理的行为，其中，BP神经网络能够训练输出单元去学习输入的分类模式。

BP网络输入层的节点数由学习实例的输入向量Xk=(x1k，x2k，…，xnk)的输入量的个数n决定，输出层的节点数由学习实例的输出向量Y*k=的输出量的个数m决定。

本系统中n=6，m=3，具体包括六组9个生理参数，即:脑电4路(x1)、呼吸2路(x2)、皮肤电1路(x3)、指脉1路(x4)、血压1路(x5)、脉搏1路(x6)，系统以BP网络为基础，构造了一个复合BP神经网络(CBP)(如图2)，通过对生理参数的实时抽样、训练，形成了一个生理参数到心理表现的转换模型。

CBP模型有一个加权层、一个输入层、一个输出层和一个隐藏层。各层处理单元与下一层的所有处理单元相连接。在学习时，信息也通过网络回传，并用来更新连接强度。设:

xj［s］—— 在 S 层中第 j个神经元的当前输出状态。

Wji［s］—— 在S － 1 层中第i个神经元连向S 层中第j个神经元的权值。

Ij［s］——S 层中第 j个神经元输入的加权和。

网络中的S层上，第j个神经元按下式传递它的输入:

图2 CBP模型

其中变换函数f采用sigmoid函数。

CBP在加权层仅完成对4路脑电(x1)的加权求和，从输入层开始，通过正向和反向传播完成学习过程，在正向传播过程中，输入信号从输入层通过变换函数后逐层向隐层、输出层传播，每一层神经元状态只影响下一层神经元状态，如果在输出层得不到设定的输出，则转入反向传播将误差信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层神经元的连接权值，使输出误差信号减小。

3.2 心理素质测试系统算法

心理素质测试系统算法基于BP神经网络的模式识别实现，其工作流程如图3所示。在本算法输入向量有6个，分别为脑电信号(4路)、呼吸信号(2路)、血压信号(1路)、指脉信号(1路)、皮肤电信号(1路)、脉搏信号(1路)。输出向量有3个，分别为心理素质正常、心理素质基本正常和心理素质不正常。

4 结束语

“军人心理素质测试系统”的研发与运行，将在信息化战争中极大地发挥政治工作的影响力，提升和增强心理作战的自动化程度，它不仅可以实时掌握官兵个体的心理健康状况，还可以了解官兵群体的总体健康状况，进而对官兵进行有针对性地心理调整和疏导。系统研制后在联勤某部进行了试运行测试，对该部官兵的心理健康状况进行多人次的测试，发现一些官兵的心理存在问题，对这部分官兵进行了及时心理疏导，起到很好的效果。因此系统的投入运行将极大地增强我军的战斗力。

［1］黄文，林曰增，李东涛，等.跨海登陆演习对军人心理和生理功能的影响［J］.实用医药杂志，2007(10):1238－1240.

［2］张崇，郑崇勋，于晓琳.基于多心理生理参数和核学习算法的脑疲劳估计［J］.中国科学，2008(10):1403－1413.

［3］玄新，宋金叶，董景芝，等.皮肤电反应在犯罪心理生理检测中的价值［J］.广州市公安管理干部学院学报，2007(3):32－35.

［4］张孝利.多导仪心理测试中的皮肤电指标浅析［J］.甘肃警察职业学院学报，2008(1):46－49.

［5］刘芳.基于生理征象变化的心理测试技术研究进展［J］.现代生物医学进展，2008(1):149 －151.

［6］孟新珍，张志斌.中国军人心理健康状况及心理健康教育现状［J］.临床心身疾病杂志，2009(1):80－82.

［7］杨杨.脑电信号采集与分析系统的设计与研究［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

［8］杨沐春.穿戴式呼吸参数监测与无线传输系统的研制［D］.吉林:吉林大学，2007.

［9］李亭亭.运动员生理信号的采集和数据分析系统的研究［D］.沈阳:沈阳工业大学，2008.