運用移動感測技術的心理學研究

移動感測技術

可以通過人們不易察覺的方式，隨時隨地採集其心理和行為數據，給日常生活情境下的心理學研究帶來了新的突破。本文回顧了以紙筆日誌和攜帶型電子設備為主要研究工具的傳統自然情境心理學研究的發展，簡要介紹了可用於心理學研究的移動感測技術在臨床心理學、社會心理學和認知心理學等領域的新進展，並討論了這一技術的引入給心理學研究帶來的機遇和挑戰。

隨著智能手機的普及與快速發展，以智能手機為平台並輔以各類生理與行為感測器的移動感測技術正在逐步得到心理學家的關注。相比傳統心理學中常見的實驗室研究，移動感測技術通過手機應用程序、可穿戴式的心率、皮膚電、加速度等各類生理與行為感測器，輔以機器學習演算法，使心理學家在日常生活情境下開展人類行為和心理活動的長時程、多維度追蹤記錄和分析成為可能。以mobile sensing和psychology為關鍵詞進行檢索，谷歌學術的檢索結果顯示，在2011年後，相關的文獻數量出現快速增長（圖1），這體現了移動感測技術在心理學研究中的快速發展和所得到的廣泛關注。美國市場調查公司IDC發布的報告顯示，到2016年，全球智能手機用戶量已經超過20億，而智能可穿戴設備，如智能手環、智能眼鏡等的出貨量也達到了1億台。移動感測設備的大規模普及為開展大樣本的日常生活情境心理學研究提供了前所未有的便利，而基於大樣本數據所得的研究發現具有更高的外部效度，可以真正有效地描述日常生活狀態下人們的心理與行為規律。本文從日常生活情境心理學研究歷史出發，首先介紹移動感測技術相比傳統研究方法的優勢，接下來梳理面向心理學研究的移動感測關鍵技術，最後介紹移動感測技術在心理學各領域的應用現狀，並對未來發展趨勢進行展望。

圖1 移動感測技術相關心理學文獻發表情況（圖片來源：谷歌學術）

日常生活情境心理學研究：從紙筆日誌走向移動感測

心理學家很早就意識到實驗室研究存在的問題。首先，實驗室研究的參與者大多是高校或科研機構的學生，難以覆蓋其他人群，研究樣本的代表性具有一定局限性；其次，很多日常生活情境中行為和心理生理狀態是實驗室內難以獲取的，如環境中的應激行為、人際互動行為等很難在實驗室情境中人為再現；再者，傳統的實驗室研究結論往往是基於較短時間的實驗室測量數據，難以跟蹤了解個體的心理和行為發展趨勢和變化規律。因此，心理學研究者一直在探索可以在日常生活情境下進行心理與行為數據記錄的實驗技術與方法。紙筆日誌是最早出現的日常生活追蹤研究手段，最初產生於20世紀40年代。參與研究的志願者通過紙筆記錄的形式，在特定的時間、地點或事件情境下，根據研究要求自主完成相應的問卷或量表，報告自己的心理、行為或環境等狀態信息。研究者對紙筆日誌數據進行人工整理后，開展定性或定量分析，以回答研究問題（圖2）。

圖2 日常生活情境心理學研究技術方法的變遷

自20世紀70年代移動通訊設備開始普及以來，研究者也開始嘗試引入攜帶型信號接收裝置（如尋呼機、行動電話等）與紙筆日誌相結合。人們在接收到這些裝置發出的信號后，根據研究要求通過紙筆形式完成問卷或量表。信號接收裝置的引入可以便捷地提醒其用戶進行數據記錄，提升對於記錄任務完成率，從而更有效地開展研究。例如，在一項有關「心流」（flow）的代表性研究中，參與研究的志願者連續一周時間佩戴尋呼機，該尋呼機在每天的上午7：30到下午10：30之間大約每隔2小時會收到1次來自研究人員發出的提示信號。志願者被要求在收到提示信號后，立即在隨身攜帶的報告冊中完成心流相關的問卷和量表。該研究發現，無論對於哪一個職位層級的員工，這一表達全身心投入的「心流」心理狀態在工作狀態下的發生頻率都遠遠高於休息狀態。這一研究發現基於日常生活情境下採集得到的數據，所得結論外部效度高，對心流的理論和應用都有很好的指導意義。

在20世紀80年代開始發展起來的個人數字助理（personal digital assistant，PDA）設備更進一步地提升了研究效率。PDA類設備不僅可以向使用者發出提示信號，還可以用電子化的方式替代紙筆日誌完成數據記錄，減少了攜帶紙質記錄冊以及書寫回答的負擔，也大大減輕了事後數據錄入的工作量。不少高校或科研機構也曾開發了基於PDA的數據收集的軟體包，比如ESP、CAES、PMAT、MONITOR等。由於PDA類設備價格相對昂貴，普及率不高且軟硬體更新換代頻繁缺乏延續性，限制了基於PDA的數據採集技術方法在心理學研究中的推廣。然而，基於PDA的「紙筆日誌」方法已經是當代移動感測技術的雛形了。

面向日常生活情境心理學研究的移動感測關鍵技術

移動感測技術有著豐富的內涵。與PDA相比，當代智能手機平台的應用程序用戶界面更加友好，可以便捷、高效地通過電子化的問卷和量表獲取人們的心理與行為狀態的主觀報告信息。更重要的是，智能手機內置或可穿戴式的各類感測器可以自動連續採集個體的多維度行為、環境和生理數據，從而更加全面地描述其在日常生活中的各種狀態。這些移動感測技術可以獲取的主觀和客觀數據全面涵蓋了心理學研究的需求，本節分別介紹心理與行為主觀數據、行為與環境客觀數據以及人體生理信號的移動感測關鍵技術在心理學研究中的應用現狀。

心理與行為主觀數據感測。當代智能手機不僅高度普及，而且高度標準化，大大方便了日常生活情境的數據採集。不同於PDA時代存在標準不一互不兼容的大量軟硬體系統，目前主流的智能手機操作系統為Android和iOS，兩者的市場佔有率之和達94.6%。因此，研究者不必購置和維護大量的研究專用移動端設備，只需開發或使用面向安卓、iOS的數據採集軟體，向志願者的手機中進行部署即可開展研究。與PDA方法類似的，手機端應用程序按照研究設計的時間提示志願者通過應用程序完成問卷或量表，實現心理與行為狀態的主觀報告數據採集。軟體所採集到的數據可以實時通過移動互聯網傳輸到研究人員部署的網路伺服器的資料庫中，實現數據採集的高度自動化。目前，這類應用程序除了由研究者自己進行開發設計，還有很多公共的數據收集平台可以供研究者直接使用，例如movisensXS、ESM Capture、ANSLAB、Mobile CodeCatalog、EmotionSense等。

行為與環境客觀數據感測。人們的行為數據不僅可以通過主觀報告的方式得到，還可以通過基於手機或可穿戴設備的感測器獲取。來自感測器的行為數據獲取以自動連續的方式進行，不需要個體的主觀參與，提供了描述其日常生活情境狀態的客觀依據。目前移動感測技術所獲取的個體行為數據主要可分為2類：一類是身體活動行為，另一類是與智能設備的交互行為。目前市場上大多數智能手機和部分可穿戴產品都配備有能感知身體運動信息的加速度感測器和陀螺儀等，結合相應的計算模型可以有效地識別出人們的身體活動狀態，包括走路、跑步、上下樓等。另外，隨著手機、平板電腦、電子書等智能設備與人們的生活關聯越來越緊密，與智能設備的交互行為數據已經可以反映人們日常生活中很多有意義的行為信息，包括社交、學習、娛樂等。例如，人們操作智能手機通訊錄、日曆行程表、通話記錄等應用程序的行為與他們的日常生活正負面情緒的變化存在顯著關聯；在另外一些研究中，心理學家也開始嘗試通過挖掘簡訊息、郵件以及社交媒體中的文本信息來挖掘更多人的網路心理與行為特徵。

移動感測設備還可以感知個體所處環境的信息。例如，通過大多數智能手機都配備的GPS晶元可以實時定位個體所處的位置，將位置信息與地圖信息、時間信息等相結合可以大致推斷個體當前環境信息，如公司、商場等；基於紅外線發射技術的接近性感測器可檢測智能手機終端周圍的其他人或物體，以評估該手機用戶所處環境的社交屬性；光線感測器還可以探測出用戶所處的環境光強度；聲音感測器如麥克風則可以採樣個體環境中的聲音數據，分離出環境噪音和語音信息，評估環境雜訊強度，並基於語音信號對說話者的身份和情緒進行分類判斷。

人體生理信號感測。可穿戴式感測器還可以獲取多種類型的人體生理信號。目前心電、皮膚電、皮膚溫度、肌電、血氧、呼吸等外周神經系統響應已經可以較好的以可穿戴的形式採集到，代表性的設備如Polar系列運動手錶、FitBit Charge HR手環、Basis Peak腕錶、BioHarness運動胸帶等。同時，基於腦電或近紅外光譜成像技術的攜帶型腦功能影像設備也正在快速發展，如Emotiv EPOC+腦電、NIRx NIRSport近紅外等，可實現對中樞神經系統響應的有效採集。大量實驗室研究早已發現人體生理信號可以有效表徵人的心理活動狀態，而把生理信號採集設備可穿戴化並用於日常生活情境的研究也有不少報道，已有研究主要關注壓力、情緒等心理狀態。特別地，心理狀態的變化往往伴隨多種生理信號的改變，心理狀態的準確有效識別往往需要多維度生理信號的融合分析。上述提及的可穿戴生理信號採集設備大多可同時採集2種或2種以上的生理信號，一定程度滿足心理學研究需求。與實驗室研究相比，日常生活情境所測得生理數據更加複雜多變，往往需要運用機器學習演算法進行數據分析。

移動感測設備所獲取的行為與環境信息和生理信號，同樣可以通過移動互聯網實時傳輸到數據存儲伺服器，方便科研人員遠程監控研究進展。這些來自物理感測器的客觀數據與來自應用程序「感測」的心理與行為狀態的主觀報告數據相結合，可以實現對人們日常生活情境下心理和行為規律的全面、有效描述。圖3中展示了部分移動感測技術運用於心理學研究數據採集過程的案例。圖3（a）中左圖為EmotionSense的情緒報告界面，右圖為一周中的情緒報告得分顯示界面；圖3（b）中左圖任務所佩戴的為SenseCam可穿戴數碼相機和GPS位置追蹤儀，右圖為它所記錄的佩戴者一天活動位置軌跡以及固定時間間隔所採集的圖片信息；圖3（c）中左圖為basis腕錶，右圖為它所採集的一天中生理活動信息，包括心率、皮電、皮膚溫度、行走步數和能量消耗。

圖3 面向日常生活情境心理學研究的移動感測關鍵技術

臨床心理學領域。近些年的臨床心理學研究表明，大多數心理疾病和異常往往伴隨著生理指標和身體活動模式的異常。例如，根據精神障礙診斷和統計手冊的診斷標準，至少有30種精神疾病伴隨著身體活動的增強或減弱，最典型的例子包括注意缺陷障礙、精神分裂症、重度抑鬱症以及雙向障礙等。過去的心理疾病的診斷一般是通過量表評估來進行的，但這種方法至今被認為存在一些不足，同時對於喪失了認知能力的嚴重病患而言，訴諸客觀指標的測量往往是必要的途徑。因此，在臨床診斷的過程中，引入感測技術獲取疾病診斷的客觀行為和生理證據是近些年來的發展趨勢。Ben-Zeev等曾採用智能手機連續追蹤27名志願者的地理空間的活動軌跡、肢體活動情況、睡眠持續時間以及談話時間等，同時完成每日的壓力評估，以及抑鬱、壓力及孤獨感，結果發現，肢體活動、地理位置的變異性及睡眠時間都與壓力水平有顯著關聯。還有研究發現了抑鬱與講話時間，地理位置活動和睡眠持續時間有關，孤獨感也與身體活動有關。Hays等利用一種被稱為「移動感測器」的系統對一組65歲以上老年人進行家庭內行走速度和活動量的監控，長達418天的研究數據顯示，腦損傷組的個體步速的變異係數是健康老年人的2倍。Prociow等的研究設計了一個可以對雙向障礙進行早期預警的系統，這個系統使用了可穿戴行為和環境的感測器獨立地收集病人的行為數據，能夠取代臨床心理治療師對早期的雙向情感障礙進行識別。這些已有研究表明，移動感測技術可以對於與心理健康有關的行為指標進行有效的監控，從而在一定程度上對某些心理疾病作出早期診斷。這尤其有利於對一些特殊病患群體的照料和護理，比如老年人、兒童或嚴重的精神疾病患者，通過系統自動識別出一些危險的情境或狀態，以方便其照顧者及時採取調整、預防和干預措施。

認知心理學領域。情緒和心理應激是當代認知心理學的重要研究課題，不僅在用戶體驗研究中有廣泛應用前景，也對於探索當代社會快節奏高強度生存環境下如何提高生活質量和幸福感有積極意義。過去的實驗室中對於情緒和壓力的研究往往是通過人為的情緒和壓力狀態誘發，比如通過圖片或視頻的刺激材料，或者是心理負荷任務來誘發相應的情緒或壓力狀態。然而，在很多情況下，日常生活環境下的情緒體驗在實驗室中很難再現和重複出來。哈佛大學心理學家Killingsworth和Gilbert在他們發表在《Science》上的一篇文章中，通過一款智能手機應用程序對來自全球2250名志願者的日常生活事件與伴隨的情緒狀態進行了研究。他們採用經驗取樣的方法，在一天中的各個時間段隨機選取時間點，對人們通過手機推送進行提問調查，調查的內容包括：他們正在從事的活動，是否處於「走神」或「白日夢」狀態以及從事當前活動時的幸福感評分。結果發現，人們不但經常處於走神狀態（大約佔清醒時間的46.9%），而且不管當下正在做什麼事情，處於走神狀態都會伴隨著更不愉快的情緒體驗。另外，近年來心理學家也關注人們處於某些日常積極情緒狀態下的生理活動反應。例如Gaggioli等的研究就考察了日常生活中心流體驗所對應的生理基礎。通過對人們的心血管活動的監控和日常生活的經驗取樣調查數據，發現心流體驗伴隨心血管系統指標中心率的升高以及心率變異性中低頻與高頻成分能量佔比的升高，表明交感神經系統活動的增強。

社會心理學領域。社會心理學是最早開展日常生活情境研究的心理學領域，尤其是群體行為和社會互動現象的研究。只不過這類研究早期更多採用訪談、參與式或半參與式觀察、社會計量法等研究方法，且一般以人作為觀察者和信息收集的主體、紙筆作為記錄的方式、觀察者的主觀報告和評估作為數據來源。Pentland及其所在的麻省理工大學人類動力學實驗室研究團隊所開發的用於自動測量人們社會交互活動的社會測量儀（sociometer）是社會心理學領域應用移動感測技術的一個最具代表性的示例。他們通過讓人們佩戴一個胸牌形式的移動感測設備，通過聲音、距離、加速度、室內定位等感測器採集人們在現實生活中面對面交流的時間、語音的情感特徵、活動水平、位置以及身體接近性等信息。研究者發現，該設備所記錄的豐富的社會信息可以預測人們在日常交際、商業營銷以及薪酬談判等場景下的行為表現。

移動感測技術的心理學應用展望

移動感測技術的應用可以極大地彌補心理學傳統實驗室研究和問卷測量的不足，為心理學各個領域的研究帶來新的突破，一批活躍在心理學和計算科學交叉領域的研究者已經完成了不少基於該技術的研究探索。

在未來的心理學研究中，通過移動感測技術採集大樣本群體的、多感測器結合的豐富日常生活情境數據是必然的發展趨勢。然而，這一領域仍然是一個新興領域，受限於可穿戴設備的尺寸和形態，目前移動感測設備還不能達到實驗室科研設備性能；日常生活情境下的長時程採集所得數據比實驗室情境下更加複雜多變；此外，如何保護參與研究志願者的隱私，也是當前移動感測時代的新問題。

雖然如此，移動感測技術正在改變傳統心理學的研究對象、思路和方法。數據採集的工具從龐大的、笨重的實驗室設備轉變成了便攜的、功能多樣的移動感測設備，對於實驗過程的設計也逐漸由研究者的單向操控轉變為靈活的、個性化的、人機自適應的數據採集方式。隨著移動感測技術的普及，每個人都在通過智能手機終端及個人可穿戴設備時時刻刻採集自己的心理、行為、環境和心理數據，人們可以通過互聯網「分享」個體的數據，科研工作者將在合作和共享的基礎上更高效、更深入地探索人類的心理與行為規律。

(責任編輯 田恬）

作者簡介：馮雪，清華大學社會科學學院心理學系，博士研究所，研究方向為社會認知和可穿戴心理學；張丹（通信作者），清華大學社會科學學院心理學系，特別研究員，研究方向為工程心理學。

注：本文發表在2017年第2期《科技導報》，原標題：《探索日常生活中的心理與行為規律： 運用移動感測技術的心理學研究》，歡迎關注。本文部分圖片來自互聯網，版權事宜未及落實，歡迎圖片作者與我們聯繫稿酬事宜。

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