基于语音和生理信号的警察心理压力评估与等级分析研究＊

姜囡 郭卉 任杰 中国刑事警察学院

引言

对心理压力过大的警务人员进行定期心理压力等级评估并及时施加心理危机干预措施能有效保障警察身心健康，提高公安工作的效率。传统的心理压力评估在心理学视角下主要通过晤谈、调查问卷等方式进行，被试者通常会为了使评估结果倾向健康产生掩饰心理，同时心理量表由专家人为命题，这些主观因素导致传统方法的信度与效度具有一定局限性[1]。而语音和生理信号的产生受自主神经系统的支配，不被个体意识控制[2,3]。因此基于语音和生理信号可对心理压力进行客观研究，在受测警员意识未察觉的情况下评估其心理压力，相较于传统方式更能准确反映真实压力状态。也可在刑事侦查审讯中根据所评估出的压力等级状态，判断犯罪嫌疑人的心理状态，提高测谎结果的准确性[4-6]。

目前，单纯基于生理信号进行心理压力评估研究的学者较多，M.Huiku在1997年提出了手术压力指数（Surgical Stress Index，SSI），认为心跳间隔（Heartbeat Interval，HBI）和体积描记脉搏波幅度（Plethysmographic Amplitude，PPGA）是手术过程中病人心理压力的直接反映[2,3]。陈义峰在此基础上提出了心理压力指数（Psychological Stress Index，PSI）的计算，计算方法与SSI一致[7]。文献[8]表明，压力程度与R-R间期具有极大相关性。同时关于语音信号与心理压力存在直接关系的研究也在不断发展，文献[9-13]均基于机器学习的方法研究了语音信号对心理压力的反馈问题。文献[14]同时结合了脑电和语音信号基于机器学习对心理压力评估进行了探索。

本文提出基于语音和生理信号的多模态警察心理压力等级评估方法。实时采集获取被试的语音信号和包括心跳间隔、脉搏（Puls e Rate，PR）、血氧浓度（Oxyhemoglobin，SpO2）与血流灌注指数（Perfusion Index，PI）在内的生理信号进行心理压力评估分析，避免了单通道心理压力评估误差大的局限性。为克服PSI计算过程中获取PPGA的困难，提出一种改进的PSI计算模型，同时基于深层语音情感压力分析软件对所提出的识别模型进行验证。

一、警察心理压力评估的影响参数

随着情感传感技术的发展，多种方法被用于心理压力评估：物理评估方法和生理评估方法。

其中物理评估方法中比较简单且常用的是语音信号，其用于压力情感识别分析的特征大致可分为三类：韵律特征、音质特征和谱特征，包括能量、音高、共振峰、梅尔倒谱系数等[15]。不同程度的心理压力将会引起这些特征的相应变化。

生理评估指在面对压力源时，人体交感神经系统通过心血管系统以适应压力刺激的调整情况。心脏连续跳动之间的时间间隔称为HBI，又称R-R间期，可用于心理压力的检测识别，如图1所示。大量血液进入动脉会使血管管径扩张，即所谓PR，正常范围为60～100次/分钟；SpO2是指血液中被氧结合的血红蛋白容量占全部可结合血红蛋白容量的百分比；PI是指血流灌注指数，反映脉动血流情况，不同压力的状态下，被试PI值也不同。

二、基于生理信号的警察心理压力评估等级分析

本文警察心理压力评估研究主要分为压力评估和结论验证两个部分，整体流程见图2。

本部分是受测警察心理压力评估的等级分析，主要包括压力诱发、数据采集、PSI的计算和心理压力等级评估四个方面。其中PSI的数值对压力评估的分级具有重要的参考价值。具体的压力诱发和数据采集流程见图3。

连接段落（见例4）只有上下两个乐句，保留了主题旋律的原型，时值放慢了一倍—由八分音符变为四分音符，仿佛模仿狮子梳理毛发时安静平和的情景。在这一段落中应以意境为重，节奏不必卡得太过死板。左手旋律线条悠长，气息不能断；而右手的装饰音触键模仿古筝的手法，使琴弦产生余音缭绕的效果。在此处，上、下句采用了不同音区，演奏时在音色处理上也应有丰富的想象力。

（一）压力诱发

选择具有公安工作经验的人群作为被试。招募中国刑事警察学院本科生、研究生及教师共14名作为被试者，年龄22～40周岁，身心健康、视听觉正常，过往无精神及神经性疾病史且自愿参与实验。被试者采集数据前4小时内均未参与剧烈运动，实验前一周内均未服用任何药品。基于已有的心理压力诱导源库对被试者的心理压力进行唤起。

压力诱发素材呈现的屏幕距离被试约50cm，被试者要求佩戴奥地利爱科技公司的K701高保真头戴式耳机。诱发被试者压力时持续播放素材5分钟，以确保不同程度心理压力的充分唤起。

（二）数据采集

数据采集时，被试首先填写心理应激自测量表，工作人员为被试穿戴好武汉中旗生物医疗电子有限公司的PM-7000D多参数监护仪连接的生理信号监测设备。实时记录被试警员不同压力状态下的生理信号参数，每隔2秒记数一次。被试警员观看完共四级的诱导源并舒缓充分后数据采集结束，工作人员基于SPSS软件进行数据统计分析。

（三）PSI的计算

1. 数据预处理

由于受警察性别、年龄和工作经历等影响，不同个体无压力状态的生理信号本身差异较大，压力唤起后生理信号的波动也不同，对PSI的计算采用基于无压力状态初始值的变异率。取舒缓压力环节稳定时间较长的值作为初始数据，分别记为HBI0、PR0、SpO20和PI0，同时各生理参数相对于初始值的变异率，分别记为△HBI、△PR、△SpO2和△PI，这四个参数可根据式（1）至式（4）计算得到。利用这些参数根据后面的模型公式可以计算得到心理压力指数PSI。

为统一量纲，根据式（5）至式（8）对各生理信号参数变异率进行归一化，分别记为△HBInorm、△PRnorm、△SpO2norm和△PInorm。

2. PSI模型的改进

文献[8]中基于HBInorm和PPGAnorm进行最小二乘估计，拟合出PSI计算模型如下：

该模型至今仍被广泛应用于临床医学科研领域。

由于PPGA的信号采集要求较高，需高精度医学仪器，基于四种在常见生理信号监测仪上均能采集到的HBI、PR、SpO2和PI参数，提出一种新的PSI计 算模型，改进后的模型如下：

3. PSI的计算

根据式（11）对PSI进行计算，将△HBInorm、△PRnorm、△SpO2norm和△PInorm代入模型，计算过程见图4。对PSI进行基于均值和极差的分析，可对心理压力进行精确的分级。

（四）心理压力等级评估

根据上述PSI计算的改进模型，对同一被试者计算不同压力状态下PSI的均值和极差，将PSI按时序排列，数值大的代表心理压力较大，反之代表心理压力较小。具体的心理压力分级计算结果见表1。

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由表1可看出，均值数据较密集，不同心理压力状态的差异保持在3～7之间，整体值域在17～32之内，极差数据较离散，不同心理压力状态的差异在9～12之间，整体值域在21～54之间。

根据均值和极差能将心理压力分为五级，其中均值分级划分范围是：一级0～18，二级18～21，三级21～28，四级28～32，五级32～100；极差分级划分范围是：一级0～22，二级22～31，三级31～41，四级41～53，五级53～100。根据均值和极差可将心理抗压能力分为优、良、正常、弱和差的五级，将数据保留整数以便数据处理。分级结果见表2。

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以上述得到的分级结果为标准，对被试警员进行心理压力等级评估。首先根据图2中的流程向其播放压力诱导视频，记录生理信号，计算出PSI后比对表2进行归档，综合均值和极差进行分析。当均值和极差所对应的抗压能力均为优、良和正常时表明该警察属于普通人群，可通过同事、自媒体传播信息等稳定情绪、促进积极情绪，提高警察心理健康；当均值和极差中任一项对应的抗压能力为弱时表明该警察属于易感人群，应进行以心理治疗为主的心理干预、开展心理教育，防止其症状恶化或迟发性心理疾患；当均值和极差中任一项对应的抗压能力为差时表明该警察为高危人群，应立即采取药物治疗和心理治疗措施。

三、基于语音信号的警察心理压力评估等级验证

“深层语音分析（Layered Voice Analysis，LVA）”软件基于以色列国防部研发的军用情感识别核心技术，通过对语音信号的精准分析实时监测说话人情感活动。由于人类心理压力属于一种复杂情感活动，通过高精度情感识别软件可有效验证同一诱导条件下本文基于说话人生理信号进行心理压力评估的结果。

利用LVA软件，从上述第三部分基于生理信号的压力分级评估过程中采集的警员压力语音中，抽取150个参数进行压力程度分析，以验证生理信号压力评估分级的合理性。基于语音信号精确计算被试者真实压力状态并将其分为三级：有压力、高压力和极高压力。具体分析过程分为数据采集、数据处理和验证分析三个部分。

（一）数据采集

警察压力语音的采集设备为基于日本奥林巴斯株式会社的LS-12微型数码录音机。首先根据PSTR量表确定被试者可以开始生理信号采集时，同时开始采集语音。生理信号采集结束时，同时结束语音的采集。

（二）数据处理

对原始MP4格式音频基于Audition软件进行降噪处理，将格式转换为采样率为11250Hz的单声道WAVE格式，导入软件进行自动压力等级评估分析。对同一被试者不同压力状态下三种级别的语料数目进行记录，检测结果见表3。

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（三）验证分析

根据上述表3中统计的语料在不同等级中出现的次数，计算警察不同压力状态语料出现的次数占总语料数的比率（见表4），与PSI随诱导源等级变化曲线图（见图5）进行比对分析。

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从表4和图5中可看出，当诱导源等级为一级时，有压力语料最多，极高压力语料极少，整体压力等级偏低；当诱导源等级为二级时，有压力语料较少，高压力语料较多，整体压力等级适中偏高；当诱导源等级为三级时，各压力等级语料分布较平均，但极高压力语料较多，整体压力等级较高；当诱导源等级为四级时，极高压力语料为整段音频出现最多，整体压力极高。这说明我们在第三部分基于生理信号的压力分级是准确合理的。

同时对应表4中的数值和图5中PSI随诱导源等级变化曲线图的分析可知，改进后的PSI计算模型具有更好的警察真实心理压力状态拟合效果，能够更真实呈现被试者心理压力状态，为警察心理压力评估提供更准确的分级依据。

四、结语

本文提出的基于语音和多生理信号的多模态警察心理压力等级评估方案，有效克服了传统PSI模型中PPGA数据获取的困难。改进的PSI计算模型能更贴近地拟合警察真实心理压力状态。基于均值和极差的压力分级弥补了传统心理压力评估方法主观性较强的缺陷，填补了对警察心理压力深度分级的空白。针对高危高压工作性质的公安一线民警，尤其是新疆一线反恐维稳人员，对其进行定期心理体检（即心理压力评估），发现潜在的心理危机并及时进行心理干预治疗，能有效缓解民警及反恐维稳人员压力过大的心理状态。同时针对侦查审讯，能准确判别其口供的真实性，为案件提供侦查方向。