馮萬利，張有東，王福德，戴俊峰

(淮陰工學(xué)院計算機工程學(xué)院，江蘇淮安223003)

0 引言

為更好地發(fā)揮信息化戰(zhàn)爭中政治工作直接參戰(zhàn)功能，增強心理作戰(zhàn)的科技含量，全面準(zhǔn)確掌握和了解戰(zhàn)時基層官兵心理素質(zhì)狀況，以便及時地、有針對性地做好官兵心理調(diào)整和疏導(dǎo)，不斷強化戰(zhàn)斗精神準(zhǔn)備。著眼軍隊信息化建設(shè)要求，提出研制軍人心理素質(zhì)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有輕便快捷、使用廣泛的實戰(zhàn)價值。

目前我軍心理戰(zhàn)主要采用宣傳方式，訓(xùn)練主要模擬特定的環(huán)境條件下，如帶電障礙、動物鮮血、高空障礙、熱帶叢林的蛇池等，有目的、有意識地對單個軍人的心理施加影響，訓(xùn)練官兵在未來戰(zhàn)爭中應(yīng)所具備的心理素質(zhì)。其主要手段一般采用實物模擬，官兵心理素質(zhì)測試主要通過問卷調(diào)查獲取，比如通過中國軍人心理健康量表［1］(CMMHS)的測試，通過生理參數(shù)測試而獲取。目前官兵心理素質(zhì)的測試器材在我軍心理戰(zhàn)器材方面仍是一項空白。

1 可行性研究

為了能夠模擬戰(zhàn)場環(huán)境，分析反映戰(zhàn)時狀態(tài)下，官兵個體和群體的心理素質(zhì)狀況，需要對戰(zhàn)時狀態(tài)下的官兵心理狀況進(jìn)行測量，并可根據(jù)測量結(jié)果給出有針對性的訓(xùn)練參考意見，該系統(tǒng)主要是通過播放立體模擬圖像和音響，對官兵心理素質(zhì)承受能力和適應(yīng)能力進(jìn)行測試和訓(xùn)練，對在特定情況下的官兵心理可以隨時進(jìn)行檢測。其主要器械包括計算機、頭盔顯示器或投影儀、大功率擴音機和心理素質(zhì)檢測儀等。戰(zhàn)場環(huán)境模擬器可以在帳篷內(nèi)播放，又可以在野外單獨使用擴音機播放，產(chǎn)生模擬視聽效果，在模擬戰(zhàn)場環(huán)境下對官兵心理素質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)測試，得出結(jié)論供相關(guān)人員參考。

心理測試是一種生理參數(shù)綜合測試設(shè)備，它在醫(yī)學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等領(lǐng)域有著極廣泛的用途，除了可以進(jìn)行心電、腦電、肌電和神經(jīng)生物電的直接測量之外，還可進(jìn)行諸如血壓、血流、心率、心音、血管容積、脈搏、心肌位移、心肌張力、呼吸流速、呼吸曲線等生理指標(biāo)的測量［2］，心理測試主要是測量被測量者本能的條件反射、心理矛盾和心理壓力(恐慌心理)，在測量參數(shù)上應(yīng)當(dāng)選擇那些不易受大腦皮層意識控制而反映被測量者本能心理反應(yīng)的生理指標(biāo)?？梢赃x擇皮膚電［3］反應(yīng)，呼吸波(胸呼吸和腹呼吸)、血壓、腦電和脈搏等參數(shù)。這是因為無論是心理測試還是心理分析訓(xùn)練，都要測量人體中最敏感，不易受大腦皮層意識控制而反映被測量者本能心理反應(yīng)的生理指標(biāo)，這些參數(shù)通過生理傳感器，小信號調(diào)理器，A/D轉(zhuǎn)換器等設(shè)備輸入計算機進(jìn)行處理，最后得出被測量者心理素質(zhì)的結(jié)論。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

心理素質(zhì)測試系統(tǒng)包括生理信號采集單元、信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)分析、處理、控制中心、虛擬環(huán)境模擬單元、數(shù)據(jù)輸出單元等。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行精心、細(xì)致的需求分析基礎(chǔ)之上，確定系統(tǒng)的實施方案。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用高性能計算機發(fā)出多媒體信號，輸出給感官信號處理設(shè)備進(jìn)行立體影音信號的合成，之后送感官信號輸出設(shè)備進(jìn)行信號處理并輸出，從而實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的模擬以對被測量者進(jìn)行心理刺激。在此刺激下被測量者必然產(chǎn)生生理反應(yīng)。生理信號傳感器檢測該信號將其轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號調(diào)理與集成單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與輸出單元送入由高性能計算機構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理分析與控制設(shè)備進(jìn)行分析處理，得出心理測試結(jié)果后送顯示與輸出設(shè)備進(jìn)行顯示輸出。測試的過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)利用這些原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)建摸，數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后得出心理素質(zhì)狀況結(jié)論。

2.3 傳感器與顯示器的選擇

腦電傳感器:壓帽式電極，目前用4導(dǎo)電極，采用雙極導(dǎo)聯(lián)方式。

呼吸傳感器:2通道，分別測量胸呼吸和腹呼吸。采用航天部航天醫(yī)學(xué)研究所生產(chǎn)的XH－1型呼吸傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)為呼吸壓差＞20mV，頻率響應(yīng)范圍0－200Hz。

血壓傳感器:采用航天部航天醫(yī)學(xué)研究所生產(chǎn)的JXH－4型血壓傳感器，主要技術(shù)參數(shù)為靈敏度 ＞5mV/Pa，頻率響應(yīng)范圍0.4 －1500Hz。

指脈傳感器:采用航天部航天醫(yī)學(xué)研究所生產(chǎn)的ZM－1型指脈傳感器，主要技術(shù)參數(shù)為脈動差值＞40mV。

脈搏傳感器:采用航天部航天醫(yī)學(xué)研究所生產(chǎn)的MH－1型脈搏傳感器，主要技術(shù)參數(shù)為靈敏度 ＞0.5mV/g。

立體影像顯示器:采用美國進(jìn)口的高分辨率立體頭盔顯示系統(tǒng)HMD800S系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)為光學(xué)視角28(H)×21(V)度。

2.4 小信號調(diào)理器的設(shè)計

由于生理信號大多數(shù)極其微弱(1mV以下)，所以放大器的設(shè)計極為重要。系統(tǒng)選用高輸入阻抗，高共模抑制比放大器，帶隔離和濾波器，腦電帶通頻率0.2～70 Hz，增益10000 dB，精度為±0.2℅;肌電放大器帶隔離，帶通頻率10～20kHz增益2000dB，精度為±0.2℅;脈搏放大器增益250dB?？紤]到抗干擾，各路放大信號獨立，所有連接電纜采用超細(xì)的帶屏蔽的電纜連接，同時系統(tǒng)要可靠接地［4］。

2.5 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計和選擇

由于系統(tǒng)要求便攜，可在帳篷內(nèi)使用，為方便與計算機接口，系統(tǒng)選用USB接口的16位數(shù)據(jù)采集卡，由于生理信號的速度較慢，對于采樣速度要求不高，選擇A/D轉(zhuǎn)換速率100Hz，程控增益為1、2、4、8dB完全能滿足系統(tǒng)要求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 生理指標(biāo)到心理指標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

系統(tǒng)以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了根據(jù)生理參數(shù)測試心理素質(zhì)的轉(zhuǎn)換模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN，Artificial Neural Network)是反映人腦結(jié)構(gòu)及功能的一種抽象數(shù)據(jù)模型，用以模擬人類進(jìn)行知識的表示與存儲以及利用知識進(jìn)行推理的行為，其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠訓(xùn)練輸出單元去學(xué)習(xí)輸入的分類模式。

BP網(wǎng)絡(luò)輸入層的節(jié)點數(shù)由學(xué)習(xí)實例的輸入向量Xk=(x1k，x2k，…，xnk)的輸入量的個數(shù)n決定，輸出層的節(jié)點數(shù)由學(xué)習(xí)實例的輸出向量Y*k=的輸出量的個數(shù)m決定。

本系統(tǒng)中n=6，m=3，具體包括六組9個生理參數(shù)，即:腦電4路(x1)、呼吸2路(x2)、皮膚電1路(x3)、指脈1路(x4)、血壓1路(x5)、脈搏1路(x6)，系統(tǒng)以BP網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一個復(fù)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CBP)(如圖2)，通過對生理參數(shù)的實時抽樣、訓(xùn)練，形成了一個生理參數(shù)到心理表現(xiàn)的轉(zhuǎn)換模型。

CBP模型有一個加權(quán)層、一個輸入層、一個輸出層和一個隱藏層。各層處理單元與下一層的所有處理單元相連接。在學(xué)習(xí)時，信息也通過網(wǎng)絡(luò)回傳，并用來更新連接強度。設(shè):

xj［s］—— 在 S 層中第 j個神經(jīng)元的當(dāng)前輸出狀態(tài)。

Wji［s］—— 在S － 1 層中第i個神經(jīng)元連向S 層中第j個神經(jīng)元的權(quán)值。

Ij［s］——S 層中第 j個神經(jīng)元輸入的加權(quán)和。

網(wǎng)絡(luò)中的S層上，第j個神經(jīng)元按下式傳遞它的輸入:

圖2 CBP模型

其中變換函數(shù)f采用sigmoid函數(shù)。

CBP在加權(quán)層僅完成對4路腦電(x1)的加權(quán)求和，從輸入層開始，通過正向和反向傳播完成學(xué)習(xí)過程，在正向傳播過程中，輸入信號從輸入層通過變換函數(shù)后逐層向隱層、輸出層傳播，每一層神經(jīng)元狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元狀態(tài)，如果在輸出層得不到設(shè)定的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播將誤差信號沿原來的連接通路返回，通過修改各層神經(jīng)元的連接權(quán)值，使輸出誤差信號減小。

3.2 心理素質(zhì)測試系統(tǒng)算法

心理素質(zhì)測試系統(tǒng)算法基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識別實現(xiàn)，其工作流程如圖3所示。在本算法輸入向量有6個，分別為腦電信號(4路)、呼吸信號(2路)、血壓信號(1路)、指脈信號(1路)、皮膚電信號(1路)、脈搏信號(1路)。輸出向量有3個，分別為心理素質(zhì)正常、心理素質(zhì)基本正常和心理素質(zhì)不正常。

4 結(jié)束語

“軍人心理素質(zhì)測試系統(tǒng)”的研發(fā)與運行，將在信息化戰(zhàn)爭中極大地發(fā)揮政治工作的影響力，提升和增強心理作戰(zhàn)的自動化程度，它不僅可以實時掌握官兵個體的心理健康狀況，還可以了解官兵群體的總體健康狀況，進(jìn)而對官兵進(jìn)行有針對性地心理調(diào)整和疏導(dǎo)。系統(tǒng)研制后在聯(lián)勤某部進(jìn)行了試運行測試，對該部官兵的心理健康狀況進(jìn)行多人次的測試，發(fā)現(xiàn)一些官兵的心理存在問題，對這部分官兵進(jìn)行了及時心理疏導(dǎo)，起到很好的效果。因此系統(tǒng)的投入運行將極大地增強我軍的戰(zhàn)斗力。

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