基于情感計算的弱勢群體情感交互Agent研究

竇金花　閆永蠶

摘要：為面向弱勢人群開發智能化和人性化的交互產品，分析了弱勢群體的生理、心理特征與需求，歸納共性需求。基于情感計算技術，提出了面向弱勢群體的情感交互Agent模型，并探討情感交互Agent模型的應用領域。該研究可為弱勢群體產品服務系統設計開發提供指導。

關鍵詞：情感計算；弱勢群體；交互設計；Agent模型

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0114-03

0 引言

借助科技產品為弱勢群體提供人性化服務，已經成為產品開發人員的目標。由于生理特征（如疾病、年齡、受傷等原因）造成的弱勢群體，如存在視覺、聽覺障礙的殘疾人、老年人、兒童，認知障礙患者等，由于自身生理障礙或者缺陷使其在生活中存在著諸多問題。生理、心理特征、知識及經驗等方面的限制，使其不能同正常人一樣與產品與服務系統進行有效的交互，如聾啞人的無法通過聽覺與語音與他人自然交互，老年人感知與認知功能下降，對人機界面的認知與理解困難。盲人通過視覺通道使用信息界面時存在障礙。同時，弱勢人群在生理上與社會地位的變化使其具有非常復雜的心理特征，容易產生孤獨感，自卑感和無助感，較容易缺乏自信，需要在心理和情感層面給予更多的關懷。隨著大數據、人工智能、物聯網等信息技術的發展，基于先進的信息科技，設計開發人性化的產品與服務，使其具有更加自然、直覺的信息交互方式，滿足用戶多樣化特征，幫助老年人、兒童等弱勢人群提供服務和資源，是人機交互研究需要解決的重要問題。

1 相關研究

1.1 智能體（Agent）

Minsky[1]提出智能體是具有自適應，自治能力的硬件，軟件或其他實體。Wooldridge[2]將智能體定義為處于一定環境的計算系統，其行為具有一定的靈活性和自主性。Wooldridge和Jennings[3]提出智能體的弱定義和強定義，弱定義智能體具有自主性、社會性、反應性和能動性等基本特性，強定義智能體除了包含弱定義中的基本特性，還具有移動性、通信能力、理性或其它特性， 該定義被大多數學者所接受。Franklin和Graesser[4]將智能體描述為一個處于環境之中并且作為這個環境一部分的系統，智能體可隨時感測環境并且執行相應的動作，并且逐漸建立自己的活動規劃以面向動態環境。智能體具有自治性、適應性、主動性、社會性、移動性、進化性及學習性等多種特征。

1.2 情感計算技術

Picard教授最早提出情感計算的概念，情緒與情感是一種主觀的內在情緒體驗，情感計算是與情感相關，來源于情感或能夠對情感施加影響的計算，并采用通過生理測量技術追蹤生理變化，采用各類傳感器獲取情感信號，對情感進行分析理解[5-6]。情感計算主要基于對人的生理與行為信號的提取，分析，創建情感模型，以使信息系統能夠對用戶情感做出智能、靈敏、友好反應。人的面部表情、聲音、手勢、生理反應均是獲取情感信號的來源[7]。國內學者與研究機構也對情感計算展開了系統研究。王志良教授創建了人工心理理論，基于信息技術模擬人的心理活動，如情感、性格等[8]。哈爾濱工業大學，中國科學院自動化研究所，中科院心理學所，南京航空航天大學等機構基于不同生理與行為特征開展了情感計算相關研究。

2 弱勢群體特征和需求

本文所探討的弱勢群體主要由生理原因所引發的，在生理、心理以及社會環境處于劣勢的人群，主要包括老年人、兒童、殘疾人及病人等，其生理、心理特征以及需求如下：

老年人群： 隨著生理機能下降，老年人的感知覺能力下降。視力衰退是最為常見的早期個體生理老化表現之一，聽覺組織結構也隨之老化。其他方面如觸覺、體力方面也同樣在衰退。伴隨著老年人群各項生理機能的衰弱，老年人的大腦思維也逐漸表現出記憶力下降、反應遲鈍、注意力減弱及思維想象力減弱等認知方面的變化，較容易造成一定的安全問題，另外，在情感需求方面，老年人固執、懷舊等特點使其更容易產生孤獨感，渴望與外界溝通交流。

兒童：兒童處于生長發育期，肢體和大腦發育不成熟，其思維，動作與情緒在不同年齡段體現不同的特征。兒童的思維、動機和意圖隨著不同心理狀態引發兒童各種行為。兒童對充滿未知的世界具有較強的探索欲和好奇心，安全性需求、學習性需求及陪伴需求是兒童的主要需求。

殘疾人：殘疾人在生理上或心理上存在某種缺陷（如聾啞人言語障礙、肢殘人和盲人行動障礙），由于某些生理或心理缺陷，為殘疾人的生活與工作造成不便。殘疾人群心理特征歸納為3大類：自尊心強、缺乏信心及敏感多疑。由于殘疾人群在工作生活中常常受到歧視，社會交往范圍狹窄，導致其具有較強的自尊心；殘疾人群受自身生理特征的影響，而且在一定的環境中受排擠與歧視，在找工作和交流過程中對自身缺乏信心，對外界敏感多疑。

病人：病人類型多樣，生理疾病常導致身體虛弱、行動不便及反應遲鈍，精神性疾病如自閉癥、抑郁癥患者的數量也在不斷增多，帶來嚴重的社會問題。病人在心理特征上表現為情緒波動大，容易焦慮恐懼，依賴性強，不愿與人進行溝通交流等特點。

需求：綜合以上弱勢人群的生理和心理特征，弱勢群體的需求主要體現在健康、安全需求，情感溝通陪伴需求，知識學習服務需求，生活起居照料需求等多個方面。健康安全需求是最基本的需求，安全需求能較好的促進弱勢群體健康發展，產品設計的合理性可為安全操作提供保障；情感溝通陪伴滿足弱勢人群的社交情感需求，輔助其與他人之間良好的溝通與交流，更好的融合社會環境；弱勢群體也具有較強的知識學習服務需求，新產品與科技應用使其難以快速有效的獲取知識服務，人機交互中挫敗感使用戶產生心理壓力，滿足用戶的知識服務需求是產品服務系統的開發目標；生活起居照料需求是弱勢人群普遍存在的基本需求，如何通過智能化、人性化的產品服務系統，輔助弱勢群體日常生活照料，提高其生活質量，是迫切需求解決的問題。弱勢人群特征和需求如圖1所示。

3 基于情感技術的弱勢群體情感交互Agent模型

人們希望與信息系統的交流能夠像人與人之間的交流一樣輕松自然。產品服務系統為用戶提供資源內容和服務，試圖提供友好的人機界面，但還未實現真正自然的交互。用戶的交互行為與人的意識，情境與情感密切相關，有效感知用戶的情感與意識以及人機交互情境是理解用戶行為意圖的重要方法。

情感計算可通過對人和機器交互過程中的情緒識別、獲取與分析，構建情感模型，產生合理的情感反饋。基于情感計算的交互系統，能夠感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感做出智能、靈敏、友好反應。情感計算技術使交互系統更加智能和人性化，具有像人一樣的情感識別、理解和生成各種情感特征的能力，對改善人機交互的自然性與和諧性具有重要的作用。基于情感計算技術可感知弱勢群體產品交互情境中情緒變化，更準確的獲取用戶需求，以促進人機情感交互的自然性和便捷性，降低復雜信息界面操作的負面情緒，提升用戶體驗[9-10]。情感計算的過程主要包括情感信號獲取，情感信號的處理，識別與分析，情感模型構建以及識別結果的輸出反饋，情感計算基本流程如圖2所示。

情緒與情感是一種主觀的內在情緒體驗，是智能Agent的重要屬性。面向弱勢群體的情感交互Agent基于情感計算技術，情感交互智能體由感知系統，認知系統，運動系統和人機界面組成。感知系統能夠通過傳感器，眼動分析儀器，行為分析儀器獲取用戶表情、語音、姿態及生理數據，感知用戶的行為與生理特征。認知系統基于所獲取的生理信號、表情、語音及姿態數據進行數據預處理、特征抽樣及特征選擇。基于OCC情感模型[11]和Kismet情感模型[12]等情感模型，結合心理學研究中情感產生機理構建情感識別模型，識別特殊人群如老年人、殘疾人、病人等目標群體的情感狀態。通過選擇情感計算模型和優化模型參數，提高情感識別率。運動系統通過感知用戶的生理信號、行為和交互情境來推斷情感狀態，根據情感識別結果對用戶做出合理、恰當的情感反饋。情感交互智能體的人機界面通過圖形，聲音，動作等多模態交互特征為用戶提供反饋。情感交互Agent能夠智能感知弱勢群體的語音、表情、姿態、生理信號及情境變化，學習用戶知識與環境知識，推理用戶行為意圖，自動調整自身行為與狀態，進行合理有效反饋，將被動交互轉換為主動交互，為用戶提供符合其需求的服務內容。基于情感技術的弱勢群體情感交互Agent模型如圖3所示。

4 弱勢群體情感交互Agent模型的應用

面向弱勢群體的特征和需求，情感交互Agent模型在用戶虛擬學習、社交網絡及公共服務等多個領域均具有一定的應用價值。

（1）虛擬學習。虛擬學習是情感交互Agent重要應用領域。兒童、老年人等都具有知識學習需求，學生的動機、情緒及努力是學習績效的重要影響因素， 虛擬學習環境中，可探索使用卡通形象Agent對學生進行學習指導，針對學生情緒狀態自動調整溝通策略與服務內容，對學生起到有效引導作用。

（2）社交網絡。社交需求是人類基本需求，對于老年人、殘疾人及自閉癥兒童，良好的社交與溝通交流能夠促進其改變不良的情緒狀態，社交情感交互Agent為特殊群體提供社交服務，開發情感交互Agent可采用共情方法設計其外形、語音、神態，使具有同理心，能夠感知用戶的情緒與需求，從而進行主動交互。社交網絡可作為智能體的模塊之一，為用戶提供良好健康的社交網絡，促進弱勢群體的溝通與交流。

（3）公共服務。在醫院、圖書館、博物館等公共服務場所，參觀導覽一般通過導游或者路線圖為用戶提供給服務。情感交互Agent通過情感識別功能感知多樣化用戶情境和潛在需求，基于多模態交互技術，為用戶推薦感興趣的服務內容，提供符合用戶需求路線引導，提升用戶體驗。

5 結語

設計開發智能化、人性化的產品服務系統對提高老年人，兒童，殘疾人等弱勢人群的生活質量具有重要的意義。論文分析了對幾類弱勢人群的生理、心理特征與潛在需求，探索基于情感計算的弱勢群體情感交互Agent模型與應用領域，該研究為弱勢人群智能產品服務系統的設計開發提供了指導。

參考文獻

[1] Minsky，Marvin（1986）.The Society of Mind. New York： Simon & Schuster.1986.

[2] Wooldridge M J.The Logical Modelling of Computational Multi-Agent Systems [D]. The University of Manchester，1992.

[3] Wooldridge M J，Jennings N R. Intelligent Agent： Theory and Practice[J]. Knowledge Engineering Review，1995，10（2）：115-152.

[4] Franklin S，Graesser A. Is it an Agent，or just a Program？ A Taxonomy for Autonomous Agents[C]//International Workshop on Agents Theories.Springer-Verlag，1997.

[5] PICARD R.Affective Computing[M].USA：MIT Press，1997.

[6] PICARD R.Surprising Discoveries from Affective Computing[R]. The 15th Conference on computing in 21Century， 2013.

[7] 羅森林，潘麗敏.情感計算理論與技術[J].系統工程與電子技術，2003，25（7）.

[8] 王志良.人工心理與人工情感[J].智能系統學報，2006，1（1）：38-43.

[9] 竇金花，覃京燕.基于情感計算的弱勢群體產品情感交互設計研究[J].包裝工程，2017，38（06）：7-11.

[10] Dou J， Qin J. Research on User Mental Model Acquisition Based on Multidimensional Data Collaborative Analysis in Product Service System Innovation Process[C]// International Conference on Engineering Psychology & Cognitive Ergonomics. Springer， Cham，2017.

[11] Ortony A， Clore G L， Collins A. The Cognitive Structure of Emotions[M]. Cambridge： Cambridge University Press，1988.

[12] BREAZEAL C. Emotion and Sociable Humanoid Robots[J].International Journal of Human-computer Studies，2003，59（1/2）：119-155.

Abstract：Aiming at developing intelligent and humanized interactive products for vulnerable groups， the physiological， psychological characteristics and needs of vulnerable groups are analyzed， and common needs are summarized. Based on the affective computing technology， the agent model of emotional interaction for vulnerable groups is proposed， and the application field is discussed. This research can provide some guidance for the design and development of product service systems for vulnerable groups.

Key words：affective computing； vulnerable groups； interaction design； Agent model