基于情感计算的弱势群体情感交互Agent研究

窦金花　闫永蚕

摘要：为面向弱势人群开发智能化和人性化的交互产品，分析了弱势群体的生理、心理特征与需求，归纳共性需求。基于情感计算技术，提出了面向弱势群体的情感交互Agent模型，并探讨情感交互Agent模型的应用领域。该研究可为弱势群体产品服务系统设计开发提供指导。

关键词：情感计算；弱势群体；交互设计；Agent模型

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0114-03

0 引言

借助科技产品为弱势群体提供人性化服务，已经成为产品开发人员的目标。由于生理特征（如疾病、年龄、受伤等原因）造成的弱势群体，如存在视觉、听觉障碍的残疾人、老年人、儿童，认知障碍患者等，由于自身生理障碍或者缺陷使其在生活中存在着诸多问题。生理、心理特征、知识及经验等方面的限制，使其不能同正常人一样与产品与服务系统进行有效的交互，如聋哑人的无法通过听觉与语音与他人自然交互，老年人感知与认知功能下降，对人机界面的认知与理解困难。盲人通过视觉通道使用信息界面时存在障碍。同时，弱势人群在生理上与社会地位的变化使其具有非常复杂的心理特征，容易产生孤独感，自卑感和无助感，较容易缺乏自信，需要在心理和情感层面给予更多的关怀。随着大数据、人工智能、物联网等信息技术的发展，基于先进的信息科技，设计开发人性化的产品与服务，使其具有更加自然、直觉的信息交互方式，满足用户多样化特征，帮助老年人、儿童等弱势人群提供服务和资源，是人机交互研究需要解决的重要问题。

1 相关研究

1.1 智能体（Agent）

Minsky[1]提出智能体是具有自适应，自治能力的硬件，软件或其他实体。Wooldridge[2]将智能体定义为处于一定环境的计算系统，其行为具有一定的灵活性和自主性。Wooldridge和Jennings[3]提出智能体的弱定义和强定义，弱定义智能体具有自主性、社会性、反应性和能动性等基本特性，强定义智能体除了包含弱定义中的基本特性，还具有移动性、通信能力、理性或其它特性， 该定义被大多数学者所接受。Franklin和Graesser[4]将智能体描述为一个处于环境之中并且作为这个环境一部分的系统，智能体可随时感测环境并且执行相应的动作，并且逐渐建立自己的活动规划以面向动态环境。智能体具有自治性、适应性、主动性、社会性、移动性、进化性及学习性等多种特征。

1.2 情感计算技术

Picard教授最早提出情感计算的概念，情绪与情感是一种主观的内在情绪体验，情感计算是与情感相关，来源于情感或能够对情感施加影响的计算，并采用通过生理测量技术追踪生理变化，采用各类传感器获取情感信号，对情感进行分析理解[5-6]。情感计算主要基于对人的生理与行为信号的提取，分析，创建情感模型，以使信息系统能够对用户情感做出智能、灵敏、友好反应。人的面部表情、声音、手势、生理反应均是获取情感信号的来源[7]。国内学者与研究机构也对情感计算展开了系统研究。王志良教授创建了人工心理理论，基于信息技术模拟人的心理活动，如情感、性格等[8]。哈尔滨工业大学，中国科学院自动化研究所，中科院心理学所，南京航空航天大学等机构基于不同生理与行为特征开展了情感计算相关研究。

2 弱势群体特征和需求

本文所探讨的弱势群体主要由生理原因所引发的，在生理、心理以及社会环境处于劣势的人群，主要包括老年人、儿童、残疾人及病人等，其生理、心理特征以及需求如下：

老年人群： 随着生理机能下降，老年人的感知觉能力下降。视力衰退是最为常见的早期个体生理老化表现之一，听觉组织结构也随之老化。其他方面如触觉、体力方面也同样在衰退。伴随着老年人群各项生理机能的衰弱，老年人的大腦思维也逐渐表现出记忆力下降、反应迟钝、注意力减弱及思维想象力减弱等认知方面的变化，较容易造成一定的安全问题，另外，在情感需求方面，老年人固执、怀旧等特点使其更容易产生孤独感，渴望与外界沟通交流。

儿童：儿童处于生长发育期，肢体和大脑发育不成熟，其思维，动作与情绪在不同年龄段体现不同的特征。儿童的思维、动机和意图随着不同心理状态引发儿童各种行为。儿童对充满未知的世界具有较强的探索欲和好奇心，安全性需求、学习性需求及陪伴需求是儿童的主要需求。

残疾人：残疾人在生理上或心理上存在某种缺陷（如聋哑人言语障碍、肢残人和盲人行动障碍），由于某些生理或心理缺陷，为残疾人的生活与工作造成不便。残疾人群心理特征归纳为3大类：自尊心强、缺乏信心及敏感多疑。由于残疾人群在工作生活中常常受到歧视，社会交往范围狭窄，导致其具有较强的自尊心；残疾人群受自身生理特征的影响，而且在一定的环境中受排挤与歧视，在找工作和交流过程中对自身缺乏信心，对外界敏感多疑。

病人：病人类型多样，生理疾病常导致身体虚弱、行动不便及反应迟钝，精神性疾病如自闭症、抑郁症患者的数量也在不断增多，带来严重的社会问题。病人在心理特征上表现为情绪波动大，容易焦虑恐惧，依赖性强，不愿与人进行沟通交流等特点。

需求：综合以上弱势人群的生理和心理特征，弱势群体的需求主要体现在健康、安全需求，情感沟通陪伴需求，知识学习服务需求，生活起居照料需求等多个方面。健康安全需求是最基本的需求，安全需求能较好的促进弱势群体健康发展，产品设计的合理性可为安全操作提供保障；情感沟通陪伴满足弱势人群的社交情感需求，辅助其与他人之间良好的沟通与交流，更好的融合社会环境；弱势群体也具有较强的知识学习服务需求，新产品与科技应用使其难以快速有效的获取知识服务，人机交互中挫败感使用户产生心理压力，满足用户的知识服务需求是产品服务系统的开发目标；生活起居照料需求是弱势人群普遍存在的基本需求，如何通过智能化、人性化的产品服务系统，辅助弱势群体日常生活照料，提高其生活质量，是迫切需求解决的问题。弱势人群特征和需求如图1所示。

3 基于情感技術的弱势群体情感交互Agent模型

人们希望与信息系统的交流能够像人与人之间的交流一样轻松自然。产品服务系统为用户提供资源内容和服务，试图提供友好的人机界面，但还未实现真正自然的交互。用户的交互行为与人的意识，情境与情感密切相关，有效感知用户的情感与意识以及人机交互情境是理解用户行为意图的重要方法。

情感计算可通过对人和机器交互过程中的情绪识别、获取与分析，构建情感模型，产生合理的情感反馈。基于情感计算的交互系统，能够感知、识别和理解人的情感，并能针对人的情感做出智能、灵敏、友好反应。情感计算技术使交互系统更加智能和人性化，具有像人一样的情感识别、理解和生成各种情感特征的能力，对改善人机交互的自然性与和谐性具有重要的作用。基于情感计算技术可感知弱势群体产品交互情境中情绪变化，更准确的获取用户需求，以促进人机情感交互的自然性和便捷性，降低复杂信息界面操作的负面情绪，提升用户体验[9-10]。情感计算的过程主要包括情感信号获取，情感信号的处理，识别与分析，情感模型构建以及识别结果的输出反馈，情感计算基本流程如图2所示。

情绪与情感是一种主观的内在情绪体验，是智能Agent的重要属性。面向弱势群体的情感交互Agent基于情感计算技术，情感交互智能体由感知系统，认知系统，运动系统和人机界面组成。感知系统能够通过传感器，眼动分析仪器，行为分析仪器获取用户表情、语音、姿态及生理数据，感知用户的行为与生理特征。认知系统基于所获取的生理信号、表情、语音及姿态数据进行数据预处理、特征抽样及特征选择。基于OCC情感模型[11]和Kismet情感模型[12]等情感模型，结合心理学研究中情感产生机理构建情感识别模型，识别特殊人群如老年人、残疾人、病人等目标群体的情感状态。通过选择情感计算模型和优化模型参数，提高情感识别率。运动系统通过感知用户的生理信号、行为和交互情境来推断情感状态，根据情感识别结果对用户做出合理、恰当的情感反馈。情感交互智能体的人机界面通过图形，声音，动作等多模态交互特征为用户提供反馈。情感交互Agent能够智能感知弱势群体的语音、表情、姿态、生理信号及情境变化，学习用户知识与环境知识，推理用户行为意图，自动调整自身行为与状态，进行合理有效反馈，将被动交互转换为主动交互，为用户提供符合其需求的服务内容。基于情感技术的弱势群体情感交互Agent模型如图3所示。

4 弱势群体情感交互Agent模型的应用

面向弱势群体的特征和需求，情感交互Agent模型在用户虚拟学习、社交网络及公共服务等多个领域均具有一定的应用价值。

（1）虚拟学习。虚拟学习是情感交互Agent重要应用领域。儿童、老年人等都具有知识学习需求，学生的动机、情绪及努力是学习绩效的重要影响因素， 虚拟学习环境中，可探索使用卡通形象Agent对学生进行学习指导，针对学生情绪状态自动调整沟通策略与服务内容，对学生起到有效引导作用。

（2）社交网络。社交需求是人类基本需求，对于老年人、残疾人及自闭症儿童，良好的社交与沟通交流能够促进其改变不良的情绪状态，社交情感交互Agent为特殊群体提供社交服务，开发情感交互Agent可采用共情方法设计其外形、语音、神态，使具有同理心，能够感知用户的情绪与需求，从而进行主动交互。社交网络可作为智能体的模块之一，为用户提供良好健康的社交网络，促进弱势群体的沟通与交流。

（3）公共服务。在医院、图书馆、博物馆等公共服务场所，参观导览一般通过导游或者路线图为用户提供给服务。情感交互Agent通过情感识别功能感知多样化用户情境和潜在需求，基于多模态交互技术，为用户推荐感兴趣的服务内容，提供符合用户需求路线引导，提升用户体验。

5 结语

设计开发智能化、人性化的产品服务系统对提高老年人，儿童，残疾人等弱势人群的生活质量具有重要的意义。论文分析了对几类弱势人群的生理、心理特征与潜在需求，探索基于情感计算的弱势群体情感交互Agent模型与应用领域，该研究为弱势人群智能产品服务系统的设计开发提供了指导。

参考文献

[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] 罗森林，潘丽敏.情感计算理论与技术[J].系统工程与电子技术，2003，25（7）.

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

[9] 窦金花，覃京燕.基于情感计算的弱势群体产品情感交互设计研究[J].包装工程，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