基于傳感器感知數(shù)據(jù)的心理健康狀態(tài)實時跟蹤研究

吳蘇禮， 雷雙媛， 王冠卓， 劉大旭

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)佳木斯學(xué)院，黑龍江，哈爾濱 150040)

0 引言

現(xiàn)代化社會不斷地發(fā)展，人類的心理健康逐漸成為了計算機領(lǐng)域研究的重點，以計算機科學(xué)作為研究工具，將心理學(xué)內(nèi)涉及的外顯表達轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表達，在心理測量學(xué)的參與下，規(guī)范心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取過程成為一個科學(xué)、客觀、規(guī)范的過程[1]。在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)不斷興起下，傳感技術(shù)逐漸應(yīng)用在心理健康狀態(tài)監(jiān)測過程中，衍生出了多種智能感知產(chǎn)品，實時獲取佩戴者的心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷佩戴者的心理健康狀態(tài)[2]。傳感器處理精度高、傳輸速度快，符合健康狀態(tài)監(jiān)測的實時性，為此使用傳感器感知人體的心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個實時跟蹤過程[3-4]。國外研究心理健康狀態(tài)實時跟蹤數(shù)據(jù)較早，早在19世紀(jì)，美國心理學(xué)家就已構(gòu)建得到了初步數(shù)值化的心理健康狀態(tài)判斷方法，在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的支持下，各個科技公司已研制得到多種心理健康狀態(tài)實時跟蹤裝置[5-6]。國內(nèi)對于心理健康狀態(tài)數(shù)值化研究起步較晚，在西方人格構(gòu)建技術(shù)的影響下，在20世紀(jì)末期，逐步建立起具有我國特色的心理研究技術(shù)。

1 傳感器感知數(shù)據(jù)的心理健康狀態(tài)實時跟蹤研究

1.1 轉(zhuǎn)化傳感器感知數(shù)據(jù)

使用傳感器采集得到的心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)化心理感知數(shù)據(jù)時，以傳感器發(fā)出的激光束作為對比標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，將心理感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)的表示形式，變換過程可表示為圖1。

在圖1轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)過程下，Pi(di,θi)表示傳感器采集得到的第i個心理感知數(shù)據(jù)，根據(jù)激光測距儀的角度數(shù)值，心理感知數(shù)據(jù)的θi就可表示為

圖1 轉(zhuǎn)換心理感知數(shù)據(jù)過程

(1)

在θi數(shù)值的控制下，心理感知數(shù)據(jù)的變換直角坐標(biāo)就可表示為

(2)

受到人類生理狀態(tài)的影響，心理感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為指標(biāo)坐標(biāo)后會產(chǎn)生一部分的偏移量[9]，在上述計算公式(2)的基礎(chǔ)上，設(shè)定X軸與Y軸的偏移量，構(gòu)建一個心理感知數(shù)據(jù)補償過程，可表示為

(3)

其中，a、b分別表示X軸與Y軸的偏移量，其余參數(shù)含義不變。

在上述處理過程基礎(chǔ)上，對心理感知數(shù)據(jù)進行分割—聚合處理，處理心理感知數(shù)據(jù)為7個線性區(qū)段[10]，分割成為的線性區(qū)段結(jié)果如圖2所示。將圖2所示的線性區(qū)域作為心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)處理區(qū)域，構(gòu)建一個心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷方程。

圖2 劃分得到的線性區(qū)域

1.2 構(gòu)建心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷方程

以圖2劃定的線性區(qū)域作為判斷處理目標(biāo)，根據(jù)處理區(qū)域中數(shù)據(jù)量的多少確定區(qū)域中的狀態(tài)數(shù)據(jù)稀疏因子[11-12]，稀疏因子可表示為

(4)

其中，βi表示數(shù)據(jù)的線性區(qū)域，其余參數(shù)含義不變。

為了抑制傳感器采集得到的噪聲數(shù)據(jù)的干擾[13]，歸一化處理上述得到的稀疏因子后，構(gòu)建一個心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的置信度計算方程，計算公式就可表示為

(5)

其中，J表示線性區(qū)域的Y軸長度數(shù)值，M表示線性區(qū)域在X軸的長度數(shù)值，φi表示偏移參數(shù)。在式(4)稀疏因子數(shù)值的影響下，心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的置信度數(shù)值變化，如圖3所示。

圖3 置信度數(shù)值的變化

在圖3的置信度變化下，構(gòu)建一個心理健康數(shù)據(jù)的似然值，計算公式就可表示為

(6)

其中，zt表示不同時間尺度下的心理數(shù)據(jù)數(shù)值。

根據(jù)似然數(shù)值內(nèi)計算出的尺度系數(shù)，最終得到不同尺度下的狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷方程，可表示為

(7)

其中，max{J,M}表示劃定心理數(shù)據(jù)區(qū)域的最大尺度數(shù)值，其余參數(shù)含義不變。

使用上述心理健康狀態(tài)判斷過程處理數(shù)據(jù)為正常數(shù)據(jù)組以及危險數(shù)據(jù)組，根據(jù)兩種狀態(tài)數(shù)據(jù)的特性[14-15]，實現(xiàn)心理數(shù)據(jù)的實時跟蹤。

1.3 實現(xiàn)狀態(tài)實時跟蹤

以上述得到的兩組心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)作為處理對象，計算兩個數(shù)據(jù)組合中狀態(tài)數(shù)據(jù)的最大狀態(tài)數(shù)值，計算公式就可表示為

(8)

其中，N表示正常心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)量，S表示危險心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)量，pi,j(x)表示最大數(shù)值函數(shù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的數(shù)值大小，將大數(shù)值對應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)劃分為危險狀態(tài)數(shù)據(jù)組，將小數(shù)值對應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)劃分為正常狀態(tài)數(shù)據(jù)組[16]。在實時跟蹤過程中，將數(shù)據(jù)看作為心理因子，采用量化計分規(guī)則處理因子為跟蹤標(biāo)簽，可表示為

(9)

其中，xn表示跟蹤標(biāo)簽，xi表示心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，其余參數(shù)含義不變。

將上述計算公式(8)作為卷積層，將心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)整合為特征模塊，跟蹤標(biāo)簽處理過程作為BLSTM層，實現(xiàn)狀態(tài)特征的實時獲取，將上述兩個層級進行整合，構(gòu)建一個分類器模塊[17-18]，最終實現(xiàn)對健康數(shù)據(jù)的實時跟蹤。綜合上述處理，最終完成對傳感器感知數(shù)據(jù)的心理健康狀態(tài)實時跟蹤方法的研究。

2 仿真實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

準(zhǔn)備一個型號為Dimetix-DPE-10-500的傳感器，使用的傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 使用的傳感器參數(shù)

使用上述參數(shù)控制下的傳感器，設(shè)定心理健康狀態(tài)為安全、危險兩種狀態(tài)，設(shè)定10組心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，1組數(shù)據(jù)中分別放置5個安全心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)和5個危險狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)定實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 設(shè)定的實驗數(shù)據(jù)

在表2設(shè)定的心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)下，分別使用傳統(tǒng)心理健康狀態(tài)實時跟蹤方法、文獻[13]中的心理健康狀態(tài)實時跟蹤方法、文獻[18]中的心理健康狀態(tài)跟蹤方法以及本文設(shè)計的心理健康狀態(tài)跟蹤方法進行實驗，對比4種心理健康狀態(tài)實時跟蹤方法的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實驗準(zhǔn)備，控制4種實時跟蹤方法處理表2準(zhǔn)備的心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實驗準(zhǔn)備的兩個狀態(tài)數(shù)據(jù)作為計算對象，構(gòu)建心理健康狀態(tài)成功率計算公式，可表示為

(10)

其中，r1表示正常狀態(tài)的心理健康數(shù)據(jù)，ra表示危險狀態(tài)的心理數(shù)據(jù)。統(tǒng)計并匯總上述計算得到的心理健康數(shù)據(jù)跟蹤的正確率，4種跟蹤方法最終得到的正確率結(jié)果如表3所示。由表3所示的跟蹤正確率結(jié)果可知，在4種不同的實時跟蹤方法的控制下，傳統(tǒng)跟蹤方法最終得到的跟蹤正確率結(jié)果在63%左右，正確跟蹤率結(jié)果數(shù)值最小。文獻[13]中的實時跟蹤方法跟蹤正確率在77%左右，正確跟蹤率數(shù)值較小。文獻[18]中的實時跟蹤方法的跟蹤正確率在84%左右，正確跟蹤率數(shù)值較大，而本文設(shè)計的實時跟蹤方法最終得到的跟蹤正確率結(jié)果在96%左右，與前述3種現(xiàn)有的實時跟蹤方法相比，本文設(shè)計的跟蹤方法最終跟蹤正確率數(shù)值最大。

表3 4種跟蹤方法狀態(tài)跟蹤成功率結(jié)果 %

保持上述實驗環(huán)境不變，以上述得到的正確跟蹤過程作為統(tǒng)計對象，測量正確跟蹤過程所需的時間，計算四種跟蹤方法最終的跟蹤速度，跟蹤速度結(jié)果如圖4所示。由圖4所示的跟蹤速度結(jié)果可知，在四組實時跟蹤方法的控制下，控制相同數(shù)量的實驗數(shù)據(jù)組，根據(jù)上圖跟蹤速度結(jié)果，文獻[18]中的實時跟蹤方法最終的跟蹤速度為5組數(shù)據(jù)組/s，傳統(tǒng)跟蹤方法跟蹤速度為2.5組數(shù)據(jù)組/s，文獻[13]中的跟蹤方法的跟蹤速度為10組數(shù)據(jù)組/s，而本文設(shè)計的跟蹤方法最終跟蹤速度為13素數(shù)據(jù)組/s，與三種實時跟蹤方法相比，本文設(shè)計的實時跟蹤方法的跟蹤速度最大。

圖4 4種跟蹤方法跟蹤速度

在上述實驗環(huán)境下，定義實驗準(zhǔn)備階段的數(shù)據(jù)為心理健康狀態(tài)的總數(shù)據(jù)，當(dāng)4種實時跟蹤方法輸出的數(shù)據(jù)比總數(shù)據(jù)數(shù)量少時，定義跟蹤方法丟失心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計4種實時跟蹤方法最終丟失的數(shù)據(jù)數(shù)量，結(jié)果如表4所示。由表4所示的實時數(shù)據(jù)丟失結(jié)果可知，4種實時跟蹤方法對于相同數(shù)量的心理健康狀態(tài)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了不同程度的數(shù)據(jù)處理能力，傳統(tǒng)跟蹤方法最終丟失的數(shù)據(jù)組數(shù)量最多，丟失數(shù)據(jù)組的數(shù)量在2～3組之間，丟失數(shù)據(jù)數(shù)量最多。文獻[13]中的實時跟蹤方法最終丟失的數(shù)據(jù)組數(shù)量在1～2之間，丟失數(shù)據(jù)組數(shù)量較大。文獻[18]中的實時跟蹤方法最終丟失的數(shù)據(jù)組數(shù)量在0～1之間，丟失的狀態(tài)數(shù)據(jù)組數(shù)量較少，而本文中設(shè)計的跟蹤方法只在處理實驗數(shù)據(jù)組3的時候產(chǎn)生了1組的數(shù)據(jù)丟失，與3種現(xiàn)有實時跟蹤方法相比，本文設(shè)計的實時跟蹤方法丟失的數(shù)據(jù)組最少。

表4 4種實時跟蹤方法丟失狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果

3 總結(jié)

隨著心理測量技術(shù)不斷發(fā)展，研究心理健康狀態(tài)實時跟蹤逐漸成為了技術(shù)研究的重點，以傳感器感知數(shù)據(jù)作為處理對象，構(gòu)建心理健康狀態(tài)實時跟蹤方法，能夠改善現(xiàn)有實時跟蹤方法跟蹤成功率不大、跟蹤速度過小以及狀態(tài)數(shù)據(jù)丟失的不足，能夠為今后研究心理健康狀態(tài)實時跟蹤提供一定的研究方向。